De geschiedenis van mechanische slingerklokken en kwartsklokken

Tijdens de meeste middeleeuwen, van ongeveer 500 tot 1500 na Christus, stond de technologische vooruitgang in Europa vrijwel stil. Zonnewijzerstijlen zijn geëvolueerd, maar ze zijn niet ver verwijderd van de oude Egyptische principes. 

Eenvoudige zonnewijzers 

Eenvoudige zonnewijzers die boven de deuropeningen werden geplaatst, werden gebruikt om de middag en vier "getijden" van de zonovergoten dag in de middeleeuwen te identificeren. Verschillende soorten zakzonnewijzers werden in de 10e eeuw gebruikt - een Engels model identificeerde getijden en compenseerde zelfs seizoensgebonden veranderingen van de hoogte van de zon. 

Mechanische klokken

In de vroege tot midden van de 14e eeuw begonnen grote mechanische klokken te verschijnen in de torens van verschillende Italiaanse steden. Er zijn geen gegevens bekend over werkende modellen die aan deze openbare klokken voorafgingen en die op gewicht werden aangestuurd en werden gereguleerd door berm-en-foliotevents. Berm-en-foliotmechanismen regeerden meer dan 300 jaar met variaties in de vorm van de foliot, maar hadden allemaal hetzelfde basisprobleem: de periode van oscillatie hing sterk af van de hoeveelheid aandrijfkracht en de hoeveelheid wrijving in de aandrijving dus het tarief was moeilijk te reguleren.

Veeraangedreven klokken 

Een andere vooruitgang was een uitvinding van Peter Henlein, een Duitse slotenmaker uit Neurenberg, ergens tussen 1500 en 1510. Henlein creëerde verende klokken. Het vervangen van de zware schijfgewichten resulteerde in kleinere en meer draagbare klokken en horloges. Henlein gaf zijn klokken de bijnaam "Nuremberg Eggs."

Hoewel ze vertraagden als de drijfveer, waren ze populair bij rijke individuen vanwege hun grootte en omdat ze op een plank of tafel konden worden geplaatst in plaats van aan een muur te worden opgehangen. Het waren de eerste draagbare uurwerken, maar ze hadden alleen uurhanden. Minuuthanden verschenen pas in 1670 en klokken hadden gedurende deze tijd geen glazen bescherming. Glas dat over de wijzerplaat van een horloge werd geplaatst, kwam pas in de 17e eeuw tot stand. Toch waren Henlein's vooruitgang in ontwerp voorlopers van echt nauwkeurige tijdregistratie. 

Nauwkeurige mechanische klokken 

Christian Huygens, een Nederlandse wetenschapper, maakte de eerste slingerklok in 1656. Het werd gereguleerd door een mechanisme met een "natuurlijke" periode van oscillatie. Hoewel Galileo Galilei soms wordt gecrediteerd voor het uitvinden van de slinger en hij de beweging ervan al in 1582 bestudeerde, werd zijn ontwerp voor een klok niet gebouwd vóór zijn dood. De pendelklok van Huygens had een fout van minder dan een minuut per dag, de eerste keer dat een dergelijke nauwkeurigheid werd bereikt. Zijn latere verfijningen verminderden de fouten van zijn klok tot minder dan 10 seconden per dag. 

Huygens ontwikkelde het balanswiel en de veerconstructie ergens rond 1675 en het wordt nog steeds gevonden in sommige polshorloges van vandaag. Dankzij deze verbetering konden horloges uit de 17e eeuw de tijd tot 10 minuten per dag behouden.

William Clement begon in 1671 klokken te bouwen met het nieuwe 'anker' of 'terugslag'-echappement in Londen. Dit was een substantiële verbetering ten opzichte van de berm omdat het minder interfereerde met de beweging van de slinger. 

In 1721 verbeterde George Graham de nauwkeurigheid van de slingerklok tot één seconde per dag door veranderingen in de lengte van de slinger als gevolg van temperatuurschommelingen te compenseren. John Harrison, een timmerman en autodidactische klokkenmaker, verfijnde Graham's temperatuurcompensatietechnieken en voegde nieuwe methoden toe om wrijving te verminderen. Tegen 1761 had hij een maritieme chronometer gebouwd met de veer en een balanswieluitval dat de 1714 prijs van de Britse regering had gewonnen als middel om de lengtegraad tot op een halve graad te bepalen. Het hield de tijd aan boord van een rollend schip op tot ongeveer een vijfde van een seconde per dag, bijna net zo goed als een slingerklok op het land kon doen, en 10 keer beter dan vereist. 

In de volgende eeuw leidden verfijningen tot de klok van Siegmund Riefler met een bijna gratis slinger in 1889. Hij bereikte een nauwkeurigheid van honderdste van een seconde per dag en werd de standaard in veel astronomische observatoria.

Een echt vrij-slingerprincipe werd rond 1898 geïntroduceerd door R. J. Rudd, wat de ontwikkeling van verschillende vrije slingerklokken stimuleerde. Een van de beroemdste, de W.H. Shortt-klok, werd gedemonstreerd in 1921. De Shortt-klok verving bijna onmiddellijk de klok van Riefler als een opperste tijdwaarnemer in veel observatoria. Deze klok bestond uit twee pendels, één een slaaf en de andere een meester. De slavenslinger gaf de hoofdslinger de zachte duwtjes die hij nodig had om zijn beweging te behouden, en hij dreef ook de wijzers van de klok. Hierdoor kon de hoofdslinger vrij blijven van mechanische taken die de regelmaat zouden verstoren.

Quartz klokken 

Kwartskristallen klokken vervingen de Shortt-klok als de standaard in de jaren 1930 en 1940, waardoor de prestaties van de tijdweergave veel beter werden dan die van slinger- en balanswieluitgangen. 

Kwartsklokwerking is gebaseerd op de piëzo-elektrische eigenschap van kwartskristallen. Wanneer een elektrisch veld op het kristal wordt aangebracht, verandert het van vorm. Het genereert een elektrisch veld wanneer het wordt ingedrukt of gebogen. Wanneer geplaatst in een geschikt elektronisch circuit, zorgt deze interactie tussen mechanische stress en elektrisch veld ervoor dat het kristal trilt en een elektrisch signaal met constante frequentie genereert dat kan worden gebruikt om een ​​elektronische klokweergave te bedienen.
Kwartskristallen klokken waren beter omdat ze geen versnellingen of echappels hadden om hun normale frequentie te verstoren. Toch vertrouwden ze op een mechanische trilling waarvan de frequentie kritisch afhing van de grootte en vorm van het kristal. Geen twee kristallen kunnen precies hetzelfde zijn met exact dezelfde frequentie. Kwartsklokken blijven de markt in cijfers domineren omdat hun prestaties uitstekend zijn en ze goedkoop zijn. Maar de tijdwaarneming van kwartsklokken is aanzienlijk overtroffen door atoomklokken. 

Informatie en illustraties verstrekt door het National Institute of Standards and Technology en het Amerikaanse ministerie van Handel.