Hodiny

Z Multimediaexpo.cz

Aktuální verze z 10. 3. 2015, 00:24

Veřejné hodiny ve městě Madison
(stát Connecticut, HDR)

Veřejné hodiny v parku (Německo)

Hodiny (množné číslo slova hodina, z praslovanského godъ výročí, svátek, doba) jsou přístroje na měření času. Pokud jsou malé a přenosné, nazývají se hodinky, pro velmi přesné hodiny se užívá název chronometr. Čas se indikuje pomocí ruček na ciferníku, případně číslicovým displejem. Moderní hodiny mívají ciferník dělený na 12 hodin, hodinovou a s ní souosou minutovou ručku; někdy mají ještě zvláštní sekundovou ručku, buď na okraji ciferníku nebo rovněž ve středu (centrální). Mechanické i elektronické hodiny ukazují konstantní jednotky času: hodina má 60 minut a minuta 60 sekund.

Principy měření času

Hlavní článek: Měření času

Čas lze měřit dvojím podstatně odlišným způsobem:

1. přímou indikací rovnoměrného pohybu, anebo
2. počítáním pravidelných pohybů.

Zatímco údaj hodin první skupiny je spojitý, u druhé skupiny je diskrétní (nespojitý), případně číslicový (digitální). Všechny moderní hodiny patří do druhé skupiny, která umožňuje podstatně přesnější odečítání časového údaje. Tak například sluneční hodiny nemají z definice vůči místnímu slunečnímu času žádnou odchylku ani variaci chodu, jejich údaj lze ovšem odečítat nanejvýš s přesností minut. Naproti tomu všechny mechanické i elektronické hodiny různé nepřesnosti sice mají, u atomových hodin to však může být jen 5.10^-16, tj. jedna sekunda za desítky milionů let.

1. Měření přímým sledováním rovnoměrného pohybu;

• místní čas indikují sluneční hodiny a jejich předchůdce gnómon, jež ukazují okamžitou polohu Slunce vrženým stínem tyče.
• Jiné konstrukce slouží k odměřování časových intervalů:
  • přesýpací hodiny a starší vodní hodiny (klepsydra), kde se sleduje pokles hladiny kapaliny nebo písku v průhledné nádrži;
  • svíčkové hodiny, kde se čas odečítá podle pravidelného odhořívání svíčky a pod.

2. Měření počítáním pravidelných pohybů, mechanických, elektrických nebo atomárních oscilací. Podle pohonu a konstrukce se dělí na:

• Mechanické hodiny, například:
  • stacionární (nepřenosné) kyvadlové hodiny, resp.
    • věžní hodiny;
  • přenosné hodiny a Hodinky, obvykle řízené setrvačkou čili „nepokojem“;
  • námořní a letecké chronometry;
  • elektrické hodiny, poháněné elektrickým proudem;
• Elektronické hodiny a hodinky s elektronickým, obvykle křemenným krystalem;
• Atomové hodiny jako nejpřesnější normály času.

Přesnost: chod a jeho variace

Běžně sice hovoříme o "přesnosti" a "nepřesnosti" hodin, ve skutečnosti se však jedná o dvě různé veličiny:

1. Chod, to jest odchylku od normálu; hodiny se předcházejí nebo zpožďují například o několik minut nebo sekund za den. Tato chyba je způsobena odchylkou skutečné frekvence oscilátoru (kyvadla, setrvačky) od té, kterou předpokládal konstruktér hodin.
2. Variaci chodu, to jest nedostatek isochronie, nepravidelnost chodu a tím i této odchylky. Příčinou je nestálost oscilátoru, jehož frekvence se v průběhu času mění - například s polohou, s teplotou a podobně.

Zatímco chod lze regulací upravit, variace je dána kvalitou a konstrukcí stroje a regulovat se nijak nedá.

Schéma Huygensových kyvadlových hodin s lopatkovým krokem

Hlavní části mechanických hodin

Každé mechanické hodiny mají tyto hlavní části:

• zdroj energie čili pohon, jímž může být závaží, pružina s natahovacím zařízením nebo zdroj proudu;
• soustavu ozubených převodů, jež přenáší energii od zdroje k oscilátoru;
• krok, který spojuje oscilátor s posledním (nejrychlejším) kolem převodu, jež se nazývá krokové nebo stoupací kolo;
• oscilátor či regulátor, který řídí rychlost otáčení krokového kola a na němž závisí přesnost hodin;
• Indikační zařízení, tj. hodinové převody, ručky a ciferník.

K tomu od nejstarších dob přistupují

• bicí nebo hrací zařízení;
• indikace data, polohy Slunce a Měsíce a podobně.

Pohon

Ideálním pohonem mechanických hodin je závaží, zavěšené buďto na lanu či struně, navinuté na bubnu, anebo na řetízku, zachyceném na řetězovém kole. Závaží vyvíjí přesně konstantní hnací sílu, nedá se však použít u přenosných hodin.

U přenosných hodin a hodinek se proto používá plochá pružina („péro“), svinutá do spirály a u lepších hodin umístěná v pérovníku. Hnací síla pružiny s jejím rozvíjením klesá a tím působí nerovnoměrnost chodu. U starších přesných přenosných hodin a chronometrů ji kompenzovaly složité mechanismy, například tzv. šnek s řetízkem, kde se s rozvíjením pružiny zároveň mění rameno, na němž síla působí.

Schéma pohonu, převodů a kroku kyvadlových hodin

Převody

Hnací kolo mechanických hodin, tj. ozubené kolo spojené s bubnem nebo řetězovým kolem, přenáší energii několika převody do rychla až na stoupací (krokové) kolo, jehož otáčení reguluje krok a oscilátor. Typické mechanické hodiny mají tři až pět převodů, jež tvoří typická hodinová kola, tj. pastorek a kolo na společném hřídeli. Pastorek mívá 6 až 10 zubů a u levnějších strojů může být „cévkový“, tj. tvořený věncem kolíčků. Jinak ozubení mechanických hodin jsou cykloidní, aby se povrchy zubů po sobě nesmýkaly nýbrž odvalovaly a snížilo se tak tření.

Oscilátor

Vlastním jádrem hodin je oscilátor, tj. soustava setrvačných hmot a direkční síly s vlastní frekvencí kmitů. Na jeho isochronii závisí přesnost chodu hodin. Nejstarším oscilátorem mechanických hodin je tzv. lihýř, rameno s dvěma závažími, které se otáčí kolem svislé osy. Hřídel lihýře je zavěšen na provazu nebo řemenu, jehož zkrucováním vzniká direkční síla. Posunem závažíček po rameni lze měnit vlastní frekvenci lihýře. Lihýř je fyzikálně velmi neurčitý, jeho frekvence závisí na stavu závěsu a podobně. Chyba chodu i variace lihýřových hodin byla v řádu minut za den, nicméně se udržel jako oscilátor nepřenosných hodin až do 17. století, u přenosných hodin a hodinek ještě o století déle.

Téměř ideální mechanický oscilátor je kyvadlo, jehož direktivní silou je dokonale stálá zemská gravitace. Kyvadlo jako prostředek měření času navrhl poprvé Galileo Galilei, konstrukce se někdy připisuje už jeho synovi, první kyvadlové hodiny postavil a roku 1655 podrobně popsal holandský fyzik Christiaan Huygens. Matematické kyvadlo má přesnou vlastní frekvenci kyvů, která ovšem mírně závisí na rozkyvu (amplitudě) kyvadla. Proto se u přesnějších hodin (včetně tzv. pendlovek) volí velmi malá amplituda v rozmezí do několika stupňů, což ovšem zvyšuje nároky na přesnost výroby kroku. Se změnami teploty se mění i délka kyvadla, přesné kyvadlové hodiny proto mívaly i teplotní kompenzaci.

Setrvačka kapesních hodinek s teplotní kompenzací

Hlavní nevýhodou kyvadla je to, že je nelze použít u přenosných hodin. Proto se u hodinek dlouho udržel lihýř, který teprve kolem roku 1700 nahradila setrvačka (lidově „nepokoj“, z německého Unruh). Setrvačka je kolo na hřídeli a direkční sílu vyvozuje vlásek, jemná spirálová pružina. Frekvenci setrvačky ovlivňuje teplotní roztažnost věnce, která se u lepších hodinek kompenzovala bimetálem, novější hodiny ji omezují volbou vhodné oceli. Také tuhost vlásku závisí na teplotě, lepší hodinky proto mívají vlásek ze speciální slitiny, invaru. Chod hodin ovlivňuje i tření čepů setrvačky v ložisku, které se proto dělá z umělých rubínů a s co nejtenčími čepy (typicky kolem desetiny mm). Takové čepy jsou ovšem mechanicky choulostivé, takže ložiska moderních hodinek jsou vždy ještě odpružena.

Grahamův klidový kyvadlový krok. a – stoupací kolo; b – palety; c – kyvadlová tyč.

Kotvový krok hodinek se setrvačkou.

Krok

Největším konstrukčním problémem mechanických hodin je krok, zařízení, které při každém (nebo každém druhém) kyvu oscilátoru propouští jeden zub krokového kola a zároveň dodává oscilátoru energii. Ideální krok by přitom měl oscilátor co nejméně ovlivňovat, u lepších hodinek se proto užívají tzv. volné kroky, kde se oscilátor po většinu kyvu kroku vůbec nedotýká. V průběhu vývoje vznikly desítky velmi důmyslných konstrukcí, které se dělí do dvou skupin:

• Kroky vratné, výrobně jednodušší, kde však musí oscilátor krokové kolo vracet, což silně snižuje přesnost hodin; mezi vratné kroky patří
  • lihýřový (lopatkový) krok,
  • hákový krok starších nástěnných hodin, "kukaček" a pod.,
  • kolíčkový krok mechanických budíků aj.
• Kroky klidové, které tuto vadu nemají; sem patří:
  • různé varianty kotvového kroku;
  • chronometrové kroky aj.

Speciální hodiny

Kromě toho existuje řada různých časoměrných zařízení pro speciální účely, například:

• stopky a chronografy na odměřování kratších časových intervalů,
• různé registrační hodiny jako "píchačky", hlídačské nebo ponocenské hodiny, tachografy, taxametry atd.,
• slepecké hodiny s hmatovou indikací,
• šachové hodiny a pod.

Související články

• hodina (rozcestník)
• Čas
• Hodina
• Hodinky
• Chronograf
• Kalendář
• Kyvadlo
• Měření času
• Orloj
• Setrvačka

Literatura

• M. Hajn, Základy jemné mechaniky a hodinářství. Práce: Praha 1953
• S. Michal, Hodiny. SNTL: Praha 1980
• J. Sokol, Čas a rytmus. 2. vyd. Oikúmené: Praha 2004, zejména kap. 4.

Externí odkazy

• Virtuální muzeum hodin
• Vše o času
• Aktuální středoevropský čas
• Přesný středoevropský čas
• www.photowatches.eu - Galerie fotografií hodinek
• (anglicky) American Watchmakers-Clockmakers Institute
• (anglicky) National Association of Watch and Clock Collectors
• (anglicky) British Horological Institute
• (anglicky) Federation of the Swiss Watch Industry FH Portál švýcarských výrobců hodin a hodinek.
• (anglicky) Ilustrovaný slovník různých typů hodin
• (anglicky) Stránky britského Science Museum o starých hodinách
• (anglicky) Článek o vzniku kvartzových hodin The Bell System Technical Journal, Vol. XXVII, pp. 510-588, 1948
• (anglicky) Holandské hodiny
• (anglicky) Oparinovy hodiny – nová indikace času
• (anglicky) 49-hour septenary clock
• (anglicky) clock using colors to indicate hours
• (anglicky) Flash Clocks - Flash clocks for use on blogs and webpages
• (anglicky) Personalised Clocks Návrh vlastních hodin na webu
• (anglicky) Jak fungují mechanické hodiny
• (anglicky) Jak rozebírat mechanické náramkové hodiny
• (anglicky) Jak sestavit mechanické náramkové hodiny