الهندسة والآليات > كيف تعمل الأشياء
كيف تعمل الساعات؟
تُعدُّ الساعات بمختلِف أنواعها رائعة ومذهلة حتى دون معرفة آلية عملها؛ ولكن من الممتع أن نعلم بعض التفاصيل عنها وعن ميكانيكية عملها.
تتكون الساعات عمومًا من أجزاء خارجية تظهر الوقت وأجزاء داخلية تؤدي إظهار الوقت إظهارًا صحيحًا ودقيقًا؛ يمكننا تبسيط الساعات ضمن خمسة عناصر أساسية:
- الطاقة: جميع الآلات بما في ذلك الساعات تحتاج إلى مصدر طاقة للعمل، وعادة ما تُخزَّن في وزن أو نابض.
- الترس: مجموعة من العجلات المسننة؛ تتحكم بحركة العقارب الثلاثة عقرب الثواني وعقرب الدقائق وعقرب الساعات.
- ميزان الساعة: أداة متصلة مع العجلات المسننة؛ تضمن إتمام عقرب الدقائق كل 60 ثانية دورة كاملة وإتمام عقرب الساعات كل 60 دقيقة دورة كاملة.
- ضابط الوقت: أو ما يُسمَّى مثبت ميزان الساعة؛ يساعد على التحكم في حركة مسننات عجلات الساعة.
- لوحة الساعة: الجزء الذي يُظهر التوقيت لنا؛ ويحوي الأرقام وعقرب الساعات والدقائق والثواني.
تعمل الساعات وفق حدث دوري وبتردد معروف ؛ ولكن هنالك اختلافات بسيطة في آلية العمل حسب نوع الساعة.
ساعات البندول:
البندول أو الرقاص: هو عبارة عن خيط أو قضيب صلب يعلق في نهايته وزن ما؛ والرقاص مصمم بطريقة يتأرجح فيها ذَهابًا وإيابًا بالمعدل نفسه مرارًا وتكرارًا، وذلك تحت تأثير قوة الجاذبية، ويضبط ذراع الرقاص لكي يستغرق كل نصف تأرجح (دورة للبندول) ثانية واحدة (كل دورة في الثانية الواحدة تساوي هيرتز واحد).
يعلق في نهاية الترس (محور العجلة الرئيسية) نابض أو كتلة معينة وتُعدُّ هذه الكتلة مصدر طاقة للساعات الرقاصة ولكن الكتلة ستسقط بسرعة كبيرة إن لم يكن هناك ما يُنظِّم سقوطها، وستتحرك المسننات عشوائيًّا، وهنا يأتي دور البندول في تنظيم حركة المسننات وعقارب الساعة؛ إذ يتصل البندول مع محور العجلات بما يُسمَّى ميزان الساعة؛ الذي يسمح بإمرار إحدى مسننات العجلة مع كل دورة كاملة للبندول (ذلك ما يُكسِب الساعة صوت تك)، ولأن تأرجح البندول ثابت لا يتغير؛ فالبندول هو الذي يضبِط الوقت فعليًّا.
ساعات الكوارتز:
الكوارتز: يتميز معدن الكوارتز بالقدرة على توليد تيار كهربائي صغير جدًّا، وذلك عندما يتعرض للضغط، وعند إمرار تيار كهربائي خلاله يهتز بتردد معين وثابت.
يُستخدَم في ساعات الكوارتز (مثل معظم ساعات اليد) قطعة من معدن الكوارتز وبطارية ودارة إلكترونية؛ إذ يتذبذب الكوارتز ويهتز بتردد معين (عادةً ما يكون 32768 هيرتز) ويقسم التردد على 32768؛ لنحصل على الدقة في الثانية الواحدة؛ وبتحويل التردد العالي إلى تردد منخفض تصبح الساعة أكثر ضبطًا ودقةً، مثلًا إن تَوقفَ الاهتزاز في ساعة البندول 0.1 هيرتز يؤدي إلى تأخر الساعة بمقدار ثانية واحدة كل عشرة ثوان؛ أما في ساعات الكوارتز إن توقفت 0.1 هيرتز سوف تتأخر الساعة بمقدار 0.26 ثانية تقريبًا من معظم اليوم (أي ثانية واحدة كل 327680 ثانية).
تعمل البطارية على اهتزاز الكوارتز الذي يُولِّد بدوره ضمن الدارة نبضات كهربائية منتظمة تُستخدَم في الساعات الميكانيكية لتحريك عجلات الساعة المسننة؛ أما في الساعات الرقمية لتشغيل الشاشة الرقمية لإظهار الوقت.
الساعات الذرية:
على الرغم من أن اسمها يبدو خطيرًا؛ فإن الساعات الذرية لا تملك أي نشاط إشعاعي؛ كما نعلم أن الذرة هي أصغر وَحدة في المادة وتُغيِّر من حالتها باستمرار؛ إذ تنتقل إلكتروناتها ما بين مستويات الطاقة عند تعرضها لتردد معين، وبذلك يعتمد عمل الساعة الذرية على الرنين الذري (التردد اللازم لتغيير حالة الذرة).
وتتميز الساعات الذرية بدقتها العالية جدًّا؛ إذ يبلغ مقدار التردد الذري مليارات هيرتز؛ وفي حال توقف عمل الساعة مدة 1 هيرتز ولنفترض؛ كان تردد العنصر الذري مليار هيرتز سوف تتأخر الساعة ثانية واحدة كل 31.7 سنة أي ستتأخر 86 ميكرو ثانية (0,000086) تقريبًا من اليوم.
ويُعدُّ تذبذب عنصر السيزيوم NIST-F1 الأفضل للساعات الذرية؛ إذ أن الخطأ فيه لا يتجاوز 0,03 نانو ثانية كل يوم؛ وعرَّف نظام الوحدات العالمي SI منذ عام 1967م الثانية بأنها تساوي 9192631770 دورة من الإشعاع الذي يصدره الإلكترون في أثناء انتقاله بين مستويين للطاقة في ذرة السيزيوم-133، ولذلك يشارُ إلى تذبذب السيزيوم بالساعة الذرية ويُعدُّ المعيار الأساسي لقياس الترددات والوقت.
شاركونا أي الساعات تفضلون، وهل سمعتم بأنواع أخرى من الساعات الفريدة، شاركونا آرائكم في التعليقات.
المصادر :