Die Geschichte der mechanischen Pendel- und Quarzuhren

Während des größten Teils des Mittelalters, von ungefähr 500 bis 1500 nach Christus, war der technologische Fortschritt in Europa praktisch zum Stillstand gekommen. Der Stil der Sonnenuhren entwickelte sich, aber sie bewegten sich nicht weit von den altägyptischen Prinzipien. 

Einfache Sonnenuhren 

Einfache Sonnenuhren, die über den Türen angebracht waren, identifizierten den Mittag und die vier "Gezeiten" des sonnenbeschienenen Tages im Mittelalter. Im 10. Jahrhundert wurden mehrere Arten von Taschenuhren verwendet - ein englisches Modell identifizierte Gezeiten und glich sogar jahreszeitliche Änderungen der Sonnenhöhe aus. 

Mechanische Uhren

Anfang bis Mitte des 14. Jahrhunderts tauchten in den Türmen mehrerer italienischer Städte große mechanische Uhren auf. Es gibt keine Aufzeichnungen über Arbeitsmodelle vor diesen öffentlichen Uhren, die gewichtsgetrieben waren und durch Hemmungen mit Rand und Blatt reguliert wurden. Böschungsmechanismen regierten mehr als 300 Jahre lang mit Variationen in der Form der Böschungsmechanismen, aber alle hatten das gleiche Grundproblem: Die Schwingungsdauer hing stark von der Größe der Antriebskraft und der Größe der Reibung im Antrieb ab Die Rate war schwer zu regulieren.

Federbetriebene Uhren 

Eine weitere Weiterentwicklung war eine Erfindung von Peter Henlein, einem deutschen Schlosser aus Nürnberg, irgendwann zwischen 1500 und 1510. Henlein schuf frühlingsgetriebene Uhren. Das Ersetzen der schweren Antriebsgewichte führte zu kleineren und tragbareren Uhren. Henlein nannte seine Uhren "Nürnberger Eier".

Obwohl sie langsamer wurden, weil die Hauptfeder abgewickelt war, waren sie bei wohlhabenden Personen beliebt, weil sie groß waren und auf ein Regal oder einen Tisch gestellt werden konnten, anstatt an eine Wand gehängt zu werden. Sie waren die ersten tragbaren Uhren, aber sie hatten nur Stundenzeiger. Die Minutenzeiger erschienen erst 1670 und die Uhren hatten in dieser Zeit keinen Glasschutz. Glas über dem Zifferblatt einer Uhr entstand erst im 17. Jahrhundert. Dennoch waren Henleins Fortschritte im Design Vorläufer für eine wirklich genaue Zeitmessung. 

Genaue mechanische Uhren 

Christian Huygens, ein niederländischer Wissenschaftler, stellte 1656 die erste Pendeluhr her. Sie wurde durch einen Mechanismus mit einer "natürlichen" Schwingungsperiode reguliert. Obwohl Galileo Galilei manchmal als Erfinder des Pendels bezeichnet wird und seine Bewegung bereits 1582 studierte, wurde sein Entwurf für eine Uhr erst nach seinem Tod gebaut. Huygens 'Pendeluhr hatte einen Fehler von weniger als einer Minute pro Tag, das erste Mal, dass eine solche Genauigkeit erreicht wurde. Seine späteren Verbesserungen reduzierten die Fehler seiner Uhr auf weniger als 10 Sekunden pro Tag. 

Huygens entwickelte die Baugruppe aus Unruh und Feder irgendwann um 1675 und sie ist immer noch in einigen der heutigen Armbanduhren zu finden. Diese Verbesserung ermöglichte es Uhren aus dem 17. Jahrhundert, die Zeit auf 10 Minuten pro Tag zu beschränken.

William Clement begann 1671 in London mit dem Bau von Uhren mit der neuen "Anker" - oder "Rückstoß" -Hemmung. Dies war eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Rand, da es die Bewegung des Pendels weniger beeinträchtigte. 

1721 verbesserte George Graham die Genauigkeit der Pendeluhr auf eine Sekunde pro Tag, indem er Änderungen der Pendellänge aufgrund von Temperaturschwankungen ausglich. John Harrison, ein Tischler und autodidaktischer Uhrmacher, verfeinerte Grahams Temperaturkompensationstechniken und fügte neue Methoden zur Reibungsreduzierung hinzu. Bis 1761 baute er einen Marinechronometer mit Feder und einer Unruhhemmung, die den Preis der britischen Regierung von 1714 für die Längenbestimmung bis zu einem halben Grad erhalten hatte. Die Zeit an Bord eines rollenden Schiffes betrug ungefähr eine Fünftelsekunde pro Tag, fast so viel wie eine Pendeluhr an Land, und war zehnmal besser als erforderlich. 

Im Laufe des nächsten Jahrhunderts führten Verfeinerungen zu Siegmund Rieflers Uhr mit einem nahezu freien Pendel im Jahr 1889. Sie erreichte eine Genauigkeit von einer Hundertstelsekunde pro Tag und wurde zum Standard in vielen astronomischen Observatorien.

Ein echtes Prinzip des freien Pendels wurde von R. J. Rudd um 1898 eingeführt, um die Entwicklung mehrerer freier Pendeluhren anzuregen. Eine der berühmtesten, die W. H. Shortt-Uhr, wurde 1921 vorgeführt. Die Shortt-Uhr ersetzte Rieflers Uhr fast sofort als höchste Zeitnehmerin in vielen Observatorien. Diese Uhr bestand aus zwei Pendeln, von denen eines ein Sklave und das andere ein Meister war. Das Sklavenpendel gab dem Masterpendel die sanften Stöße, die es brauchte, um seine Bewegung aufrechtzuerhalten, und es trieb auch die Zeiger der Uhr an. Dadurch blieb das Master-Pendel frei von mechanischen Aufgaben, die seine Regelmäßigkeit stören würden.

Quarzuhren 

Quarzuhren ersetzten die Shortt-Uhr in den 1930er und 1940er Jahren als Standard und verbesserten die Zeitmessung weit über die von Pendel- und Unruhhemmungen hinaus. 

Der Quarzuhrbetrieb basiert auf der piezoelektrischen Eigenschaft von Quarzen. Wenn ein elektrisches Feld an den Kristall angelegt wird, ändert sich seine Form. Es erzeugt ein elektrisches Feld, wenn es zusammengedrückt oder gebogen wird. Diese Wechselwirkung zwischen mechanischer Beanspruchung und elektrischem Feld bewirkt, dass der Kristall in Schwingung versetzt wird und ein elektrisches Signal mit konstanter Frequenz erzeugt, mit dem eine elektronische Uhranzeige betrieben werden kann.
Quarzuhren waren besser, weil sie keine Zahnräder oder Hemmungen hatten, die ihre normale Frequenz störten. Trotzdem stützten sie sich auf eine mechanische Vibration, deren Frequenz entscheidend von der Größe und Form des Kristalls abhing. Keine zwei Kristalle können mit genau der gleichen Frequenz genau gleich sein. Quarzuhren dominieren nach wie vor den Markt in Zahlen, da sie eine hervorragende Leistung aufweisen und kostengünstig sind. Aber die Uhrzeitleistung von Quarzuhren wurde von Atomuhren deutlich übertroffen. 

Informationen und Abbildungen vom National Institute of Standards and Technology und dem US-Handelsministerium.