Upplagg för den har studien
- Introduktion och sida 1: Instrument före skriften.
- Sida 2: Instrument för observation av skuggor.
- Sida 3: Instrument för observation av himlakroppar.
- Sida 4: Instrument med flöde eller förbränning.
- Sida 5: klockor och moderna instrument. (den här sidan)
Förlåt till er som haft tålamod att följa studien från början, men har kommer jag att upprepa mig. Och mer på den här sidan än på de andra. Vårt mål är att följa hur matinstrumenten utvecklas genom det som faktiskt är innovativt i fråga om precision.
Du hittar alltså varken en bildkatalog eller en översikt över allt som finns i världen av klockor, pendylur och armbandsur. Du hittar ännu mindre detaljerade urmakeritekniska förklaringar. Högst några enkla (urmakare skulle kanske säga för enkla) förklaringar som räcker för att första utvecklingslinjen. Jag skulle dessutom vara helt oförmögen att förklara saker som chaussée avec tige eller roue de renvoi och många andra delar... För resten finns många utmärkta specialiserade sajter.
Från klocka till armbandsur
Allmänt
Som med clepsydrorna börjar vi med några allmänna frågor innan vi följer den tekniska utvecklingen.
Vad är etymologin för ordet horloge? En snabb titt i Franska akademiens ordlista: "substantiv femininum (tidigare maskulinum; man säger fortfarande i vissa städer le gros horloge, till exempel i Rouen). 1100-talets oriloge/orloge, maskulinum. Via latinets horilogium från senlatinets grekiska hôrologion, 'det som anger timmen'."
Notera i förbifarten att engelska clock kommer av franska cloche.
Den första klockan: när, var och av vem? Kort sagt: vi vet inte vem som uppfann den första mekaniska klockan. Det är extra svårt eftersom termen horilogium använts generiskt, och man vet inte om den syftar på mekaniskt ur, clepsydra eller till och med solur. Minns den kanoniala urtavlan i kyrkan i Merindol-les-Oliviers i Drome med inskriften OROLOGII.
Ibland tillskrivs Gerbert, som vi redan nämnt, uppfinningen av den mekaniska klockan. Det är sannolikt fel. Om det vore sant kan man undra varför uppfinningen då skulle ha forsvunnit ur sikte från slutet av 900-talet till slutet av 1200-talet.
Det är nämligen i slutet av 1200-talet som de första mekaniska klockorna dyker upp i Europa. Mer precist i England, 1283, i Dunstable Priory i London. Fler kom kort därefter: Exeter (England) 1284, Saint-Paul (London) 1286, Canterbury (England) 1292, och många fler under 1300-talet.
Mekaniska klockor är en rent vastersk utveckling. Varken den islamiska eller den kinesiska civilisationen gick den vägen. Teknologiskt hinder eller andra väl (hydraulisk teknik i Kina)?
Är klockan ett tidmatningsinstrument? Jag ska inte dra clepsydra-repliken igen. Klockan är naturligtvis, liksom timglaset och clepsydran, en tidhållare. Man kan till och med säga en tidsmarkör: timmens längd spelar mindre roll, det viktiga är att den anger vad klockan är.
Är klockan ett instrument av stor betydelse? Ja, utan tvekan. Tusen gånger ja. Klockans framträdande är sannolikt medeltidens största och mest grundläggande händelse. Av flera skäl.
Inte i första hand för precisionens skull, för där var clepsydror och solur bättre. De första mekaniska uren gick darrigt och behövde ständigt justeras efter... soluren, flera gånger om dagen, annars kunde de tappa närmare en timme per dygn.
Inte heller för sin prakt med två visare högst uppe i kyrkors, katedralers eller stadstorns spiror. De första klockorna satt långt under dessa höjdgrader. De började i kloster. Senare på lägre våningar i kyrkor. Och först senare i tornen högst upp. Helt enkelt för att de först inte ens hade urtavla. Och vem hade kunnat läsa dem i en befolkning som till 95 % bestod av bönder?
I förbifarten: varför skrivs fyra ofta som IIII i stället för IV på urtavlor? Kanske för att IV och VI lätt kan blandas ihop vid lite... osäker avläsning.
Och när de väl fick urtavla räckte den bristande precisionen länge med en enda visare.
Men vad gör man med en klocka utan urtavla och utan visare? Man använder den som väckare: den larmar en klackare som tar över och ringer i klockorna (minns du? Clock = cloche). Senare, när klockan fick alla sina attribut (urtavla, visare) och flyttade upp i tornen, skottes den av en klockförvaltare som vakade över den som över sin ögonsten. Övervaka, underhålla, synka med solen: det var vardagen för dessa personer som ofta bodde i själva tornet.
Nog med ”inte i första hand”. Låt oss se varför klockans ankomst är medeltidens stora händelse.
- Först, för att den markerar segern för jämna timmar över ojämna timmar.
Vi har sett i tidigare sidor att instrument som clepsydra eller astrolabium gav ojämna timmar, vars längd varierade med årstiden: till exempel 80 minuter på sommaren och 50 på vintern. Med klockan blir timmen, bortsett från precisionen, 60 minuter och dygnet 24 timmar. Inte längre ”dag” och ”natt”, utan ett dygn på 24 timmar om 60 minuter. Punkt.
- Sedan, för att den öppnar vägen mot en sekularisering av tiden.
Fram till 1200- och 1300-talen tillhörde tiden Gud. Och därför var den prästernas och kyrkans sak. Via ringare med stod av clepsydror eller solur markerade man tiden genom böner och officier. Minns de kanoniska soluren vi såg tidigare.
När den mekaniska klockan kommer fungerar den först som väckare för ringarna, och med tiden flyttar den upp i tornet och blir allas angelägenhet. Tiden är inte längre förbehållen några få. Och dessutom, som vi just såg, är den jämn. När klockan inte bara ringer bönetimmar utan alla timmar, när sekulariseringen sin kulmen.
Då börjar allas tid bli vars och ens tid. Förenklar man utgör varje sekel ett steg i den utvecklingen: 1600-talet tar in klockan i hemmet, 1700-talet på kroppen, 1900-talet på handleden.
Från medeltiden och framåt går vi alltså gradvis från ”kyrklig kontroll” till tidens demokratisering.
Missförstå dock inte: det är inte klockan ensam som skapar fenomenet. Den är verktyget. Under medeltiden var kyrkan inte längre ensam om behov av tidpunkter och tidmatning. I takt med handelns och industrins utveckling uppstod behov av exakta referenser, både för arbetstid och specifika uppgifter. Lagger man till kungliga hovs och andras behov förstår man att klockan kom... i rätt tid.
- Slutligen, för att den leder till en delokalisering av tiden.
Inte bara den ojämna timmen forsvinner: även den lokala tiden ska bort. Jag medger att det tog tid, eftersom det i Frankrike hände först 1891 (se studien om tidsskalor). Moderna kommunikationer som järnvägen skapade problemet. Mekaniseringen av klockor gav svaret. Alla franska klockor synkroniserades till samma tid: Paris tid.
I Magasin Pittoresque från 1880 finns en artikel med titeln Unification de l'heure au moyen de l'electricite et de l'air comprime.
Om pneumatiska klockor star det bland annat: "... Redan flera klockor enligt detta nya system, vars uppfinnare är herr Popp i Wien, har installerats i Paris... En central klocka är anordnad så att varje gäng dess pendel slår den sextionde sekunden i en minut utlöses en mekanism som släpper fram tryckluft i behållarna; luften rusar direkt ut i nätets rör och blaser upp en balg i andra anden. När balgen blases upp lyfter den en liten hvarm som vrider ett hjul ett steg; hjulet har sextio steg, vart och ett motsvarar en minut. På samma hjul sitter urtavlans stora visare, som då flyttas en minut...
Installationen av de femton första urtavlorna krävde arton kilometer rör, och systemet är gjort så att alla som bör nära detta rornat kan få tiden i hemmet. Det räcker att ansluta ett litet grenror till huvudledningen som för in tryckluften från förvaltningen."
Kort funktionell förklaring
Mekaniska klockor har fyra huvuddelar:
- En energikälla (vikt, fjäder).
- Overforingsorgan som överför energin och kalibrerar överföringen i jämna timmar.
- Ett gångverk eller distribuerande organ som periodiskt släpper igenom drivkraften. Senare får det också uppgiften att återföra energi till regulatorn (pendeln) som förlorats genom dämpning.
- Ett reglerorgan eller oscillator som gör oregelbunden rörelse regelbunden.
Man kan också lägga till:
- Ett visningssystem (urtavla, visare).
- Ett uppdragningssystem för att förnya energikallan.
Klockornas utveckling går i två riktningar: miniatyrisering av organen och förbättring av regulatorns precision. Vi fokuserar framför allt på den senare.
Utveckling
Det bästa sättet att följa utvecklingen är kronologiskt. Oroa dig inte: vi ska inte läsa om den standardkronologi som cirkulerar ordagrant på olika sajter. I så fall räcker det ju att länkar till originalkallan.
De första regulatorerna: foliotgångverket
Vi vet varken vem som uppfann det eller exakt när det uppstod; tidsfönstren brukar anges till 1270-1330.
På tal om det kan jag inte lata bli att citera Gerhard Dohrn-van Rossum, ur hans utmärkta bok Tidens historia: "... Gangverkets framträdande, som i dag ses som en avgörande innovation, syns knappast i samtidens uppfattning. Man beskriver det högst som ett viktigt men gattfullt fenomen. Däremot noteras slagklockornas uppkomst omedelbart som en sensationell teknik med stora sociala konsekvenser."
Låt oss se hur systemet fungerar. Det kallas också spindelgang eller verge-and-foliot.
Till vänster: översikt över en mekanism med foliot. Till höger: detalj av gånghjulet. Bilder vanligen utlånade av Jean Claude Sulka, vars sajt är värd ett besök.
På vänstra översta bilden, till höger, ser man energikallan: en vikt som hanger i en lina lindad kring en trumma. Vänstra delen gäller slagverket.
På översta högra bilden ser man foliot-gångverket. Folioten är en T-formad del vars vertikala axel (verge) bar en tvärbom. Ett tandhjul (roue de rencontre), kopplat till drivtrumman, vrider via en palett axel och tvärbom tills en annan palett, som bildar cirka 60° mot den första, stoppar rörelsen och vänder riktningen. Vid varje rörelse släpper folioten igenom en tand i gånghjulet, därav namnet gångverk. Oscillationstiden kan justeras genom att flytta reglervikter på tvärbommen. Den tiden ska motsvara en tidsnorm (minut, timme...).
Ordet foliot kommer av folie (galenskap), som bildligt beskriver den ständiga fram-och-tillbaka-rörelsen hos tvärbommen. Namnet dyker första gången upp hos Jean Froissart, fransk poet och krönikor (1337-1404), i dikten Li Orologe amoureus från 1370.
Foliotmekanismen var inte förbehållen stora klockor, vilket denna trumformade foliotklocka visar, med helt stålmekaniskt verk. Anonym, södra Tyskland, omkring 1550.
I sin bok noterar Gerhard Dohrn-van Rossum att J. Drummond Robertson redan 1931 först antog att urgångverket kan ha utvecklats ur äldre system för upprepade klockslag. Slagverket fungerar nämligen på ett satt som liknar gångverket vi just sett, men folioten ersatts av en hammare som slår mot en klocka. Slagrorelsen är naturligtvis snabbare.
Och Gerhard Dohrn-van Rossum förklara hur det mekaniska gångverket enligt honom utvecklades: i kloster var användningen av ”väckare” vanlig. Under 1200-talet upptäckte man att om man saktade ner hammarrörelsen, ökade massan och gjorde den justerbar kunde man få en stabil urrörelse. Varför inte? Även om det fortfarande fanns mycket kvar att göra för stabilitet och precision.
En variant av foliotgångverket
Det är den variant Giovanni Dondi använde och beskrev i ett verk från 1365.
Till vänster: trogen rekonstruktion av Giovanni Dondis planetklocka (Astrarium), som finns på Leonardo da Vinci-museet i Milano. Originalet finns inte längre. Till höger: skiss av nedre chassit efter ett manuskript i biblioteket vid Eton College, Windsor.
På skissen till höger ser man i överdelen att folioten ersatts av ett horisontellt hjul med ”tappar”. Frågan är hur mekanismen kunde justeras. Notera också att en urtavla redan finns.
Byte av drivkalla
Runt 1450 börjar stalfiadern användas som energikälla.
Förväxla inte det jag har kallar drivfjadder med den fjäder som dyker upp senare i regulatorn.
Fjäderns fordel jämfört med vikt är mindre platsbehov, vilket möjliggör flyttbara klockor och miniatyrisering till inomhusur och armbandsur.
Men den har en stor nackdel mot vikten: den avger minskande kraft när den slackar. De första fjäderuren blev därför än mer oprecisa.
Snart kommer två system för att behärska denna ojämna drivkraft. I Tyskland: stackfreed, kortlivat. I Frankrike: fusée, som används mycket längre.
Till vänster stackfreed-systemet. Till höger fusée-systemet. Utbytet av snöre mot kedja omkring 1650 tillskrivs den geneviske urmakaren Gruet.
- Stackfreed använder en andra fjäder som trycker mot en kam för att hallå drivkraften konstant.
- Fusée har samma mål: man kompenserar den minskande kedjespänningen (först var det ett snöre) genom större hävarm och håller därigenom drivkraften konstant tack vare fuséens hyperboliska form. Låter det inte lite som växelsystem på cyklar?
Notera att alla skisser visar skruvar som fastsattningssystem. I verkligheten använde de tidigaste uren (i vid mening) sprintar, och skruvar blir vanliga först omkring 1550.
Revolution hos oscillatorerna
Under 1600-talet förbättras precisionen dramatiskt, från avvikelser på cirka 15 minuter till bara några sekunder. Så stor var förbättringen att engelsmannen Daniel Quare (1649-1724) i seklets slut äntligen lade till minutvisaren.
Utan att drunkna i urmakeriteknik är var genomgång av precisionens utveckling i princip klar när vi gått igenom denna ”oscillatorrevolution”.
Allt börjar 1583, när Galileo, enligt sin förste biograf Vincenzo Viviani, formulerar pendelns isokronism efter att ha observerat en ljuskrona i Pisas katedral: en svängnings varaktighet beror bara på pendelns längd, inte på rorelseamplituden.
Galileo Galilei (1564 - 1642)
Galileo behöver knappast introduceras, vi vill bara göra det kort. Född i Pisa, en framstående fysiker och astronom med många upptäckter inom mekanik och astronomi.
Han förbättrar kikaren avsevart, tar ställning för jordens rörelse, uppfinner termometer, hydrostatisk vag och proportionalpassare, och formulerar lagar för fallande kroppar. För vart ämne är pendellagarna det centrala.
År 1638 publicerar han pendelteorin och ger sin son i uppdrag att bygga en vikt- och pendelklocka enligt hans konstruktion. Tyvärr dor sonen året därpå.
Har ser vi teckningen som Galileis son gjorde efter faderns diktamen, och utifrån vilken klockan skulle byggas.
Därefter entrerar Christiaan HUYGENS (1629-1695).
Christiaan Huygens (1629-1695)
Han föddes i Haag och fick sin vetenskapliga skolning i Descartes verk, som var van med hans får. Han var den förste att observera en av Saturnus manar (Titan), sedan Saturnus rotation och ringar. Han publicerade regler för elastiska stötar.
Han var medlem av Vetenskapsakademien i Paris och Royal Society i London. För vart ämne uppfann han pendeluret och spiralfiadern i armbandsur.
Följde han Galileos arbete eller arbetade han parallellt? Oavsett vilket gav han 1657 urmakaren Salomon Coster i uppdrag att bygga en vikt- och pendelklocka, som snart fick namnet pendelur.
Pendeluret med vikter så som det framställs i Huygens bok Horologium oscillatorium. Man ser att gångverket fortfarande är av encounter-typ, vilket kräver stora pendelutslag och är negativt för isokronin.
De två bladen är till för att korrigera variationer i pendelns svängningsperiod, som justeras med en skjutvikt på stången. Det dröjer till 1671 och urmakaren William Clement innan ”recoil anchor” införs, på en ide av Robert Hooke. Den gav pendelutslag på 4-5° i stället för 40° hos Huygens klocka, och gjorde isokronin mycket bättre.
Arton är senare, 1675, uppfinner Huygens den första klockan med spiralfiader, byggd av Isaac Thuret, en av Paris bästa urmakare. Regulatorn var en balans (inte att förväxla med pendelbalansen i stora klockor): ett litet metallhjul kopplat till en fin stålspiral som påverkar det på samma satt som tyngdkraften påverkar en pendel.
Under följande är och sekler arbetade urmakare och uppfinnare med att förbättra dessa och andra verk: gångverk, slagverk, uppdragning, materialkvalitet, motstånd mot temperaturvariationer... Men där går vi utanför den har studiens ramar och dessutom utanför min kompetens. För en fullständig kronologi får du se etablerade referensverk.
Kvartsen, modern oscillator
År 1880 upptäcker Pierre och Jacques Curie den piezoelektriska effekten: när vissa kristaller (bland annat kvarts) utsätts för mekanisk belastning uppstår elektriska laddningar på ytan.
Det skulle alltså räcka att lägga en kvartskristall i ett hölje, slå på den (på kristallen, inte på höljet) och ta vara på laddningarna... Ojdå, fel! Då bygger vi en tandare eller gastandare, inte en klocka. Det är den direkta piezoelektriska effekten.
Man får vänta till G. Lippmann för den omvända piezoelektriska effekten: kristaller deformeras när de utsätts för ett elektriskt fält. Om denna ”excitation” är permanent börjar kvartsen vibrera på en mycket stabil egenfrekvens, beroende på storleken. Det räcker sedan att räkna vibrationerna och omvandla dem till önskad tidsenhet (till exempel sekund). Kvartsresonatorn är född.
I armbandsur är frekvensen i regel 32 768 Hz. En integrerad krets delar denna frekvens med 2, 15 gånger i följd, och vi får var sekund.
Precisionen hos en sådan oscillator är omkring 1/1000 sekund på 24 timmar. Det är klart bättre än var foliot från början, eller hur?
De första kvartsklockorna kom 1929-1930, och storleken var inte mycket mindre än de första tornuren. Det första kvartsarmbandsuret med visare kom 1967, och den digitala klockan följde 1971.
Om du letar kvarts i ditt armbandsur hittar du inte en kristall som på bilden till vänster, utan något som liknar den till höger. Nu återstår bara att öppna boetten för att hitta kvartslamellen. Efter det kan jag inte garantera perfekt funktion...
Atomur
Med atomuren går vi över till extrem precision, i storleksordningen en sekund på omkring 3 000 år.
Dessa ur är naturligtvis inte till för att stå på hemmets spiselkrans. De används för mycket exakta matningar, bland annat för att ge TAI (Internationell atomtid) som vi nämnde i studien om tidsskalor.
Vi går inte in i tekniska detaljer. Det viktiga är att det nu är atomen som fungerar som oscillator, eftersom dess frekvens (mer exakt dess övergångar mellan tillstånd) är ännu mer precis än kvartsens. Andra atomer finns, men cesiumatomen (Cs för de invigda) är särskilt väl anpassad för rollen.
Som avslutning
Minns du bilden av Temperantia så som Ambrogio Lorenzetti framställde henne 1338?
På 1400-talet framställs hon så har i ett manuskript som bevaras i Sachsische Landesbibliothek i Dresden.
Hur borde hon framställas i atomurens tidsålder?