Intoarcerea Ceasului

Mecanismul este un ansamblu complex, ale carui elemente principale sunt dispozitivul de setare si intoarcere, arcul de ceasornic, angrenajul si regulatorul. O piesa-cheie a unui ceas mecanic este balansierul, element circular care oscileaza inainte si inapoi in jurul unui ax, fiind cuplat la un arc spiralat care controleaza aceasta miscare alternativa. intre balansier si limbile (indicatoarele) ceasului se interpune un mecanism complex si precis de roti dintate, tije si arcuri, avand drept scop transmiterea miscarii. Forta necesara acestei miscari este reprezentata de energia mecanica stocata in arcul ceasului, tensionat prin clasica manevra de armare, cu ajutorul remontorului („intoarcerea ceasului“); destinzandu-se treptat, arcul furnizeaza energia cinetica necesara intretinerii oscilatiilor. Un bun ceas mecanic functioneaza cu o precizie multumitoare pentru scopurile vietii de zi cu zi (erorile admise de producatori la ceasurile mecanice moderne sunt in general de minus 15 – plus 20 de secunde in 24 de ore), iar cele mai performante beneficiaza de o certificare speciala si sunt desemnate drept cronometre, pe baza unor teste realizate intr-un laborator elvetian de profil. Cunoscut drept COSC (acronim pentru Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres), acest organism de testare supune mecanismele ceasurilor „candidate“ unor incercari dificile, verificandu-le precizia timp de 15 zile, in diferite pozitii si la diferite temperaturi, si nu acorda calificativul de Certificate Chronometer decat daca abaterile sunt mai mici de 5 secunde in 24 de ore. Multe dintre ceasurile mecanice de precizie fabricate azi sunt automate, ceea ce insemna ca nu mai e nevoie sa fie intoarse; arcul „se intoarce“ singur, ca rezultat al miscarilor bratului. E uimitor, nu-i asa? Miscarile normale efectuate de purtatorul ceasului in cursul activitatilor zilnice obisnuite pun in miscare o piesa de metal numita rotor; aceasta se roteste in carcasa ceasului, iar rotatiile ei, preluate de un mecanism special proiectat, intorc arcul in mod continuu. Odata cu descoperirea electricitatii si cu progresele stiintifice si tehnologice care au permis stapanirea tot mai buna a fenomenului, era firesc sa i se gasesca electricitatii tot felul de intrebuintari.

N-au intarziat sa apara, asadar, pionieri care au experimentat utilizarea curentului electric in domeniul fabricarii instrumentelor de masurare a timpului. Vremea ceasurilor electrice sosise. La acest tip de ceasuri, energia mecanica obtinuta prin destinderea arcurilor este inlocuita de energia electrica, furnizata de baterii. Inca din preajma anului 1815 au fost construite in Europa, experimental, ceasuri electrostatice alimentate de pile galvanice. in general, aceste ceasuri nu erau prea precise, deoarece depindeau mult de conditiile de temperatura. Iar in jurul anului 1840, au existat, atat in Europa, cat si in America, mai multe incercari de a se construi ceasuri alimentate cu curent electric, beneficiare ale unor mecanisme tot mai precise, electromecanice sau electromagnetice. Ceasurile electrice obisnuite din ziua de azi sunt alimentate de mici baterii („pastile“), cel mai adesea cu litiu si mangan, a caror durata de viata este de cativa ani. Primul ceas de mana alimentat cu baterii a fost Ventura, lansat in 1957 de firma Hamilton.
De-a lungul timpului, au fost produse si modele de ceasuri cu baterii care se incarca la lumina (numite popular ceasuri cu baterii solare, desi nu intotdeauna e folosita lumina Soarelui), alimentarea fiind realizata de celule fotovoltaice, care transforma energia fotonilor in energie electrica. Introducerea alimentarii cu ajutorul bateriilor a determinat, indirect, o crestere a preciziei, permitand aparitia ceasurilor cu cuart, marea descoperire a secolului XX in materie de precizie.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Diapazonul de cuart

Ce e cuartul si la ce foloseste el? Cuartul este dioxid de siliciu sub forma cristalina, foarte raspandit pe Pamant. Desi nimic nu pare mai nemiscat decat un cristal, acesta are totusi, la scara submicroscopica, proprietati surprinzatoare: vibreaza cu frecvente caracteristice. Mai amanuntit: supus unei actiuni mecanice, cristalul de cuart genereaza un camp electric. Fenomenul este numit piezoelectricitate. Dar procesul functioneaza si in sens invers: cristalul supus unei sarcini electrice isi modifica la scara infinitezimala forma si dimensiunile. Cu alte cuvinte, sufera o abia perceptibila deformare mecanica. Proprietatile piezoelectrice ale cristalelor de cuart au fost descoperite in anii 1880, de catre Jacques si Pierre Curie, iar dupa alte patru decenii de cercetari, in anii 1920, oamenii de stiinta cunosteau deja destule lucruri despre cuart pentru a incerca sa-l utilizeze ca oscilator piezoelectric in constructia unor mecanisme de precizie, inclusiv a celor destinate masurarii timpului. Cristalul de cuart este taiat (cu mare exactitate) si montat astfel incat sa sufere deformari mecanice ritmice (la scara submicroscopica, desigur), sub influenta impulsurilor electrice provenite de la bateria ceasului. in functie de modul in care e taiat, un cristal vibreaza cu o frecventa caracteristica. De obicei, la ceasurile moderne, rezonatorul de cuart are forma unui minuscul diapazon, calibrat cu mare precizie (cu ajutorul laserului), pentru a vibra la frecventa de 32.768 Hz. Acest rezonator este incapsulat intr-un „container“ de cca 4 mm lungime. Prin intermediul unui microcip, frecventa inalta este convertita intr-un impuls electric cu o frecventa mai redusa; apoi, impulsul e aplicat unei bobine, care activeaza un magnet minuscul (ca intr-un motoras miniatural), imprimandu-i acestuia o miscare regulata. Iar de aici, prin angrenajul de roti dintate cu care sunt echipate si ceasurile cu cuart, miscarea este transmisa indicatoarelor. Cristalul de cuart are marele avantaj de a-si pastra caracteristicile aproape neschimbate la modificari de temperatura (desi chiar absolut stabil nu este), iar aceasta stabilitate reprezinta un factor important in obtinerea preciziei ceasurilor cu cuart, de 10 ori mai mare decat precizia celui mai riguros ceas mecanic: o secunda la 6-10 ani.

Primul oscilator cu cristal de cuart

A fost construit in 1921 de catre Walter C. Cady, dar abia in 1928 Warren Marrison si J.W. Horton au pus la punct un dispozitiv in stare sa intretina si sa contabilizeze vibratiile cuartului, dispozitiv necesar pentru ca mecanismul sa poata functiona ca un ceas care „spune“ cat e ora. In deceniile care au urmat, ceasurile cu cuart au fost construite in numar tot mai mare, performantele lor s-au imbunatatit, dar utilizarea le era limitata la masuratorile de precizie necesare in cadrul laboratoarelor de cercetari stiintifice. Ele ramaneau in continuare niste mecanisme delicate si voluminoase, departe inca de robustetea si usurinta in manipulare necesare pentru o raspandire la scara larga. Dar miniaturizarea era o preocupare constanta a fabricantilor din domeniu. In 1967, a aparut primul orologiu „obisnuit“ cu cuart, fabricat nu intr-un atelier de ceasornicarie, ci la un prestigios institut stiintific: Centrul de Orologerie Electronica de la Neuchatel, Elvetia. Circuitele electronice integrate ale acestui prim ceas cu cuart au fost ulterior inlocuite cu microcipuri de siliciu, iar cuartul, la origine cristal natural, este astazi fabricat pe cale sintetica. Dar principiul ramane – e prea bun pentru a fi abandonat. Primul ceas de mana cu cuart a fost fabricat in 1969, de o firma japoneza, iar de atunci, industria acestor instrumente n-a incetat sa se dezvolte, construindu-si o piata proprie si cucerindu-si un loc in viata oamenilor. Marea majoritate a ceasurilor de mana comercializate la ora actuala sunt ceasuri cu cuart, cele mecanice ramanand sa multumeasca gustul putinilor nostalgici. Ceasurile cu cuart nu mai au acel tic-tac care a fost timp de secole glasul orologiilor si pe care multi dintre noi si-l mai amintesc doar ca pe unul dintre acele sunete ce ne inveseleau copilaria. Evolutia tehnologica a impus, iata, aceste ceasuri cu cuart, tacute dar exacte, care satisfac nevoia de precizie a omului modern, cu atat mai mult cu cat sunt mult mai ieftine decat ceasurile mecanice de precizie similara.

Ceasul atomic

Daca, pentru scopurile vietii de zi cu zi, precizia ceasurilor cu cuart este suficienta, pentru cele mai indraznete proiecte stiintifice e nevoie de o acuratete mult superioara in masurarea timpului. Cautand-o, savantii si-au urmat cercetarile si au izbutit sa fabrice in 1958 un ceas atomic, a carui precizie este de 1 secunda la 3.000 de ani. Un atom emite si absoarbe energie cu o frecventa inca si mai precisa decat a cristalului de cuart. Ceasurile atomice folosesc frecventa de rezonanta standard a atomilor de cesiu (Cs). Un prim asemenea ceas a fost realizat inca din 1949, in cadrul unor cercetari desfasurate de Biroul National de Standarde al SUA, dar abia in 1955 Louis Essen a construit, in Laboratorul National de Fizica din Marea Britanie, un ceas atomic cu adevarat bine pus la punct, bazat pe tranzitia atomului de cesiu 133. Pornind de la acest mecanism de mare precizie, a fost adoptata definitia international acceptata a secundei timpului atomic (vezi caseta).

Analogice vs digitale

Un alt element care a suferit schimbari in timp este modul ceasurilor de „a spune“ ora. Timp de sute de ani, de la inventarea ceasurilor cu cadran, oamenii au citit aceasta ora pe baza unor conventii acceptate de toata lumea si invatate in copilarie, care presupuneau insusirea unor notiuni de geometrie: cercul, impartirea lui in parti egale, unghiurile dintre aratatoare… Numarul aratatoarelor a crescut treptat (primele ceasuri cu cadran, care functionau pe baza energiei mecanice furnizate de caderea unei greutati, aveau doar un indicator, care arata orele), ajungand sa marcheze si subdiviziunile orei (minute, apoi si secunde). Ceasurile analogice moderne au, in general, trei indicatoare („limbi“), pentru ore, minute si secunde. „Citirea ceasului“ este, inca, una dintre lectiile grele din scoala primara si orice parinte ai carui copii au trecut prin aceasta faza stie asta. Ceea ce nu inseamna ca n-ar trebui s-o invatam; la urma urmei, face parte din educatia minima necesara oricui.

Dar, in continua cautare a imbunatatirilor care sa ne faca viata mai usoara, a fost inventat asa-numitul afisaj digital: pe un mic ecran, ora este indicata direct, cu ajutorul unor cifre, realizate initial din diode luminiscente (LED-uri). Primul model de ceas digital din lume, numit Pulsar, a fost construit tot de firma Hamilton, in 1970. Dar, pe ceasurile digitale cu LED-uri, ora nu era afisata permanent, ci aparea doar pentru cateva secunde, la apasarea unui buton (LED-urile consumau multa energie electrica si ar fi epuizat rapid bateria daca ar fi functionant continuu). Ulterior, LED-urile au fost inlocuite de ecranele cu cristale lichide, care consumau mult mai putin curent de la baterie, astfel incat cifrele care indicau ora puteau fi afisate permanent. in fine, cateva modele existente in comert prezinta un sistem hibrid: indicatoare (limbi) figurate din cristale lichide. Ceasurile cu afisaj digital au fost foarte scumpe pana in 1975, cand au inceput sa fie produse in numar mare, cu carcase ieftine, din plastic, ceea ce le-a facut in curand accesibile, motiv pentru care au cunoscut o scurta perioada de glorie.

Totusi, studiile au aratat ca, azi, marea majoritate a consumatorilor prefera sistemul clasic, analogic, cu indicatoare adica (o fi urmarea efortului facut in copilarie pentru a invata sa citim ceasul?). Ceasurile digitale nu au in spatele lor traditia veche de sute de ani a industriei orologere, traditie care da valoare chiar si ceasurilor moderne cu cuart si indicatoare, de vreme ce si acestea au nevoie de mecanisme fine, cu piese in miscare, ingrijit lucrate, pentru a functiona. Cel putin atunci cand e vorba despre ceasuri de mana, cele digitale sunt considerate, in general, mai putin „sic“ decat cele analogice si se adreseaza unui segment mult mai restrans de public. De altfel, ceasurile facute pentru a fi purtate se supun, de secole, regulilor care guverneaza piata accesoriilor de moda; ele si-au depasit de multa vreme simplul atribut de instrumente de masurare a timpului, carora li se pretinde in primul rand functionalitate. Precizia ramane in continuare un deziderat important, dar aspectul a ajuns sa fie, de cele mai multe ori, criteriul cel mai important al alegerii. Ceasurile de mana sunt gandite azi ca podoabe, atat de catre cei care le proiecteaza, cat si de cei ce le poarta. Companiile orologere de prestigiu isi mentin standardele utilizand materiale de cea mai buna calitate: otel inoxidabil, care, prelucrat de maini iscusite, devine aproape un metal pretios; titan; rodiu; aliaje complexe, alese pentru calitatile lor deosebite; materiale pe care ne-am obisnuit prin traditie sa le socotim frumoase si valoroase – aur, platina, pietre pretioase; dar si materiale carora doar provenienta si povestile aninate de ea le dau valoare, uneori una surprinzator de ridicata, ca in cazul ceasului (lansat in anul 2007) in a carui alcatuire intra metal recuperat din epava Titanicului (care zace undeva in nordul Atlanticului, la 4.000 de metri adancime).

TIMPUL IN DEFINITII

• Timpul atomic foloseste frecventa naturala a atomilor. La majoritatea ceasurilor atomice, este folosit izotopul cesiu 133.

• TAI, Timpul Atomic International. In anii 1960, au fost dezvoltate tehnicile conventionale pentru compararea ceasurilor din intreaga lume, care au facut posibila realizarea unei scari unitare a timpului atomic. Aproximativ 350 de ceasuri atomice din intreaga lume, cu cesiu in marea lor majoritate, centralizeaza datele in vederea realizarii scarii TAI.

• UT, Timpul Universal, este timpul solar civil al Meridianului Greenwich. E calculat de la miezul noptii, iar unitatea sa este ziua solara mijlocie. UT corespunde ritmului vietii pe Pamant.

• UTC, Timpul Universal Coordonat, este Timpul Universal (al rotatiei Pamantului) coordonat cu Timpul Atomic International (TAI). Spre deosebire de TAI, UTC numara secundele intregi, iar atunci cand diferenta dintre TU si TAI atinge 0,9 secunde, este adaugata sau scazuta o secunda.

• In 1972, Timpul Universal a fost calculat fara a se tine cont de miscarea Pamantului, unitatea de masura fiind gasita in oscilatiile atomice ale cesiului. Ulterior, s-a descoperit ca oscilatia atomica a cesiului era prea exacta pentru a masura realitatea, asa ca au fost facute niste ajustari care sa tina seama de oscilatiile terestre.

• Pentru stiinta, care are nevoie de o precizie mai mare decat cea necesara in viata de zi cu zi, unitatea fizica fundamentala de masura a timpului in Sistemul International este secunda, deloc legata de miscarile neregulate ale Pamantului fata de Soare: secunda a fost definita in 1820 ca fiind cea de-a 86.400-a parte a zilei solare medii, in 1960 – ca a 31.556.925,9747-a parte a anului tropic 1900, iar in 1972 a fost definita in legatura cu oscilatiile atomice ca „durata a 9.192.631.770 de cicluri de radiatie corespondente tranzitiei intre doua niveluri hiperfine ale starii de baza a atomului de cesiu 133”.