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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Orologio al quarzo. Laboratorio di scienze per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Che ore sono? Siamo abituati a trovare la risposta a questa domanda guardando l'orologio; manuale, tascabile, desktop, muro, strada, torre. Puoi controllare l'ora per telefono e radio. Le emittenti dell'Unione Sovietica trasmettono segnali orari precisi quattro volte al giorno. Come facevano i nostri antenati a tenere traccia del tempo? Cinquemila anni fa, le persone usavano per questo l'orologio solare: un normale palo, installato verticalmente e che proiettava un'ombra di diverse lunghezze e direzioni in diversi momenti della giornata. Successivamente, il tempo è stato misurato utilizzando acqua e clessidre. La precisione di questi strumenti primitivi era, ovviamente, molto approssimativa. Nell'XI secolo d.C. risale l'invenzione degli orologi meccanici da torre e cinquecento anni dopo apparvero i primi orologi primaverili. Tuttavia, non differivano in grande precisione, poiché il regolatore di velocità - il bilanciatore - oscillava in modo non uniforme con loro. Questo inconveniente fu eliminato quando si scoprì la proprietà di un pendolo liberamente sospeso di mantenere costante il periodo delle sue oscillazioni. Collegando il pendolo con l'orologio, abbiamo ottenuto un dispositivo per misurare il tempo con sufficiente precisione. Il continuo miglioramento costruttivo degli orologi a pendolo li ha resi un misuratore di tempo affidabile. Consumatori esigenti Ma la scienza e la tecnologia non si fermano. Contemporaneamente al loro sviluppo, sono aumentati i requisiti per l'accuratezza della determinazione del tempo. Accurato per una seconda volta ha cessato di soddisfare molti dei suoi "consumatori". Volevano sapere il tempo al centesimo, millesimo, persino decimillesimo di secondo più vicino. Questi non erano solo astronomi che studiavano il movimento dei corpi celesti. I navigatori di navi e aerei richiedevano il tempo più preciso per il corretto orientamento in mare e in aria, topografi e geometri che rilevavano l'area. Per stabilire dove si trovano sul globo, hanno dovuto determinare la latitudine geografica - la distanza dall'equatore - e la longitudine - l'angolo tra il piano del meridiano di un dato luogo e il piano del meridiano zero. Per determinare correttamente la longitudine è necessario conoscere con la massima precisione l'ora locale e l'ora sul meridiano zero, poiché la longitudine viene calcolata dalla differenza tra questi due valori. Lascia che sia determinato dalle stelle che sono 23 ore e 30 minuti in un dato momento in un dato luogo. L'orologio, regolato sull'ora del meridiano zero e controllato via radio, segna 21 ore e 30 minuti. La differenza è di due ore. È noto che la Terra compie una rivoluzione al giorno da ovest a est attorno al proprio asse, cioè ruota di 360 ° e in un'ora di 360:24 = 15 °. Tra due ore girerà di 30°. Pertanto, l'osservatore si trova a 30° di longitudine est. L'ora esatta deve essere nota anche a geologi e gravimetristi che studiano i cambiamenti di gravità in vari punti della superficie terrestre, che è di grande importanza per l'esplorazione dei minerali. orologio celeste Come viene determinato il tempo esatto che gioca un ruolo così importante nella vita delle persone? Con quali orologi ultraprecisi gli scienziati controllano i loro orologi? Questi meravigliosi orologi sono creati dalla natura stessa. Il loro quadrante è il cielo notturno e i numeri di ore, minuti e secondi sono le stelle. Con rigorosa costanza seguono il loro cammino eterno nel firmamento. Invariabilmente, proprio nel momento stabilito dagli astronomi, ogni stella raggiunge la sua posizione più alta e attraversa il meridiano celeste. Basta cogliere questo momento per scoprire il momento perfetto. Per far fronte a questo compito, gli astronomi sono aiutati dalla "lancetta" dell'orologio celeste, uno speciale tubo astronomico chiamato strumento di transito. Ruotando contemporaneamente alla Terra, lo strumento di transito è sempre diretto lungo il meridiano, indicato nel campo visivo dello strumento da un sottile filo verticale. Notando il passaggio di una stella attraverso questo filamento, l'astronomo calcola quanto deve correggere il suo orologio. Ogni notte, gli astronomi di tutti gli osservatori del mondo si siedono agli strumenti di passaggio. Ma il tempo non è sempre favorevole alle osservazioni. Hanno bisogno di un cielo sereno e, ad esempio, a Mosca ci sono solo circa 90 notti senza nuvole all'anno, nella soleggiata Tashkent - circa 250. Spesso il cielo è coperto di nuvole per un mese intero di fila, e talvolta anche di più. Era necessario trovare un modo per fissare l'ora esatta durante queste pause forzate da un'osservazione astronomica all'altra. Quindi c'era un problema di "immagazzinamento" del tempo. La risoluzione di questo complesso problema è stata facilitata dalla creazione di orologi astronomici di alta precisione. Due pendoli La parte principale e più importante dell'orologio astronomico è il pendolo. È chiaro. Dopotutto, il vantaggio principale dell'orologio risiede nell'uniformità e nella costanza del loro corso. Ma l'orologio può andare in modo uniforme solo se la lunghezza del pendolo rimane sempre rigorosamente costante e l'ampiezza delle sue oscillazioni è invariata. Cosa può influenzare questi valori? Prima di tutto, i cambiamenti di temperatura e pressione dell'aria. Ne consegue che il pendolo deve essere fatto di un materiale che risenta meno degli sbalzi di temperatura. Invar si è rivelato essere un tale materiale: una lega composta dal 36% di nichel e dal 64% di acciaio e con un coefficiente di dilatazione lineare 10-12 volte inferiore all'acciaio. Un pendolo è stato realizzato da Invar. I progettisti di orologi astronomici presero anche altre precauzioni. Posero l'orologio in cantina, dove la temperatura cambia poco, e lo racchiusero in un cilindro di rame chiuso ermeticamente con un tappo di vetro. L'aria viene quasi completamente pompata fuori dal cilindro e la pressione atmosferica al suo interno viene costantemente mantenuta entro un intervallo di 20-25 mm di mercurio. L'orologio è stato installato su una base speciale isolata dall'edificio. Pertanto, sono poco sensibili alle vibrazioni dell'edificio in cui si trovano. Si sono anche preoccupati di liberare il pendolo da qualsiasi, anche il minimo, carico meccanico. Questa è l'idea principale degli orologi astronomici di alta precisione. Il pendolo a oscillazione libera, che abbiamo descritto, non è collegato ad alcun meccanismo di trasmissione e di indicazione del tempo. Si chiama pendolo "libero". La sua missione è limitata. Misura solo il tempo e tutto il lavoro meccanico "nero" è assegnato a un altro pendolo ausiliario. Il pendolo libero riceve impulsi oscillanti ogni 30 secondi. Gli vengono inviati tramite fili da un pendolo ausiliario. Con l'ausilio di speciali dispositivi elettrici, il pendolo libero, per così dire, comanda il pendolo ausiliario, costringendolo a oscillare in modo strettamente sincrono con se stesso. Il pendolo ausiliario aziona un meccanismo di trasmissione che muove le lancette sul quadrante. Questo secondo orologio, collegato tramite cavi elettrici al primo, può essere installato ovunque, a qualsiasi distanza dal pendolo principale, il vero custode del tempo. Tutti gli osservatori astronomici e gli istituti metrologici del mondo ora usano orologi con due pendoli nel loro lavoro. La precisione di tali orologi è estremamente elevata: il loro corso, essendo regolato, varia di giorno in giorno di non più di 0,003 secondi. Tale accuratezza sembra favolosa, tuttavia, non è sufficiente per la scienza moderna, perché un errore anche di pochi millesimi di secondo impedisce lo studio di alcuni fenomeni che interessano astronomi, metrologi e geofisici. Proprietà miracolose dei cristalli Dove cercare una via d'uscita? La meccanica sembrava aver esaurito tutte le sue possibilità e raggiunto il limite: un ulteriore miglioramento dell'orologio a pendolo sembrava impensabile. E poi elettricisti e ingegneri radio hanno iniziato a progettare orologi astronomici. Il pendolo è sopravvissuto al suo tempo, sostenevano. Anche collocato in condizioni ideali, il pendolo non è in grado di soddisfare le crescenti esigenze degli scienziati. Ciò significa che è necessario sostituirlo con un altro regolatore che fornisca oscillazioni di frequenza costante. Alla ricerca di un tale regolatore, hanno ricordato il quarzo. Cristallo di quarzo e sue asce
Nel 1880 fu scoperta una proprietà notevole di alcuni cristalli, più pronunciata nel quarzo. Il quarzo si trova solitamente sotto forma di cristalli esaedrici con estremità piramidali appuntite (Fig. 1a). La linea zz rappresenta l'asse ottico del cristallo. Se il cristallo viene tagliato trasversalmente, perpendicolarmente all'asse ottico, si ottiene un esagono i cui angoli sono tutti uguali a 120° (Fig. 1b). Le linee xx, x1x1 X2X2 che passano attraverso le bisettrici di questi angoli indicano gli assi elettrici, le linee yy, Y1Y1, Y2Y2 - gli assi meccanici del cristallo. Si è scoperto che se una lastra viene ritagliata da un cristallo di quarzo, le cui superfici sono perpendicolari a uno dei suoi assi elettrici, quando la lastra viene compressa o stirata meccanicamente, si verificano cariche elettriche sulle sue superfici. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico diretto (l'antica parola greca "piezo" significa: premo, stringo.). L'effetto piezoelettrico inverso si esprime nella deformazione di una lastra di quarzo posta in un campo elettrico. I radioamatori a onde corte conoscono bene questa proprietà del quarzo. Sanno che la lastra di quarzo ha la capacità di mantenere costante la frequenza dell'oscillatore. Gli stabilizzatori al quarzo sono ampiamente utilizzati nelle stazioni radio. È stata questa capacità stabilizzante del quarzo che i creatori del nuovo segnatempo hanno deciso di utilizzare. Orologio al quarzo I progettisti di orologi al quarzo ritagliano una barra rettangolare da un cristallo con una sezione di 7x7 mm e una lunghezza di circa 60 mm. Su due superfici opposte della barra, hanno applicato lo strato d'oro più sottile. Il risultato è stato un condensatore, il cui dielettrico è una barra e le piastre sono due strati di metallo. Lo scopo di questo dispositivo negli orologi al quarzo è lo stesso di quello del pendolo negli orologi ordinari: è un regolatore. E un regolatore su cui puoi fare completamente affidamento. Cristallo di quarzo nel circuito di regolazione della frequenza di un triodo
Quindi il quarzo è stato incluso nel circuito del generatore della lampada. Il cristallo è stato posto in un circuito a griglia - catodo lampada generatore - triodo (Fig. 2). Parallelamente è stata installata una grande resistenza. Un circuito oscillante costituito da un induttore e un condensatore è stato incluso nel circuito anodico del circuito. Ciò è necessario affinché, grazie alla connessione attraverso la capacità dell'anodo - griglia della lampada, si creino le condizioni per mantenere oscillazioni non smorzate. Il circuito è stato sintonizzato in modo che la sua frequenza naturale fosse superiore alla frequenza di oscillazione della barra di quarzo. Questo è in termini generali il dispositivo di un oscillatore al quarzo, la parte principale di un orologio al quarzo. La loro precisione dipende direttamente dalla stabilità della frequenza dell'oscillatore. La costanza delle oscillazioni naturali del quarzo è molto elevata. Non è influenzato né dai cambiamenti della forza di gravità né dalle vibrazioni sismiche della crosta terrestre. Tuttavia, è sensibile alle fluttuazioni di temperatura e pressione atmosferica. Per mantenere costante la temperatura del quarzo, i progettisti hanno adottato misure speciali. Hanno posizionato l'oscillatore a cristallo in un termostato con pareti multistrato, all'interno del quale viene mantenuta una temperatura costante con una precisione di un centesimo di grado. Questa costanza di temperatura è ottenuta mediante il riscaldamento elettrico del termostato comandato da un termometro a contatto al mercurio. Ciò garantisce che la frequenza venga memorizzata con una precisione di circa 1*10-8. Il quarzo stesso era racchiuso in un recipiente ermetico in cui veniva creato il vuoto. Oscillatore al quarzo con divisori di frequenza
I progettisti hanno lavorato un blocco di forma e dimensioni tali da un cristallo di quarzo che la sua frequenza naturale era di 100 kHz. Ma la corrente di questa frequenza non è adatta alla rotazione del motore che mette in moto l'orologio. Ho dovuto creare una serie di dispositivi intermedi mostrati nello schema a blocchi (Fig. 3). Qui, l'elettronica ha aiutato molto i designer. Un certo numero di circuiti di generatori elettronici ha la capacità di sincronizzarsi con la frequenza di un altro generatore se è un multiplo del numero di volte superiore o inferiore alla frequenza naturale del generatore sincronizzato, o abbastanza vicino a tale valore multiplo. I progettisti di orologi al quarzo hanno sfruttato la capacità di circuiti come il multivibratore o l'oscillatore di blocco di sincronizzarsi a frequenze più alte delle proprie. Tale oscillatore sincronizzato a frequenza più alta è comunemente indicato come divisore di frequenza. La massima frequenza di corrente che può pilotare un motore sincrono è di circa 1000 Hz. Tuttavia, un divisore di frequenza con un rapporto di divisione di 1:100 è molto instabile. Pertanto, per ottenere una frequenza di 1000 Hz, sincrona con una frequenza al quarzo di 100 kHz, è stato necessario installare un numero di divisori con rapporti 1:4 e 1:5, sincronizzati tra loro in serie. I generatori usati come divisori di frequenza hanno un gran numero di armoniche. Era necessario impedire la penetrazione di dannose oscillazioni ad alta frequenza nel circuito dell'oscillatore a cristallo, dove potevano causare un deterioramento della stabilità. Per evitare che ciò accada, è stato collegato un amplificatore tampone tra l'oscillatore al quarzo e il primo divisore di frequenza, che funziona senza correnti di rete. Questa modalità aiuta a ridurre il carico dell'oscillatore a cristallo e ad aumentare la stabilità del suo funzionamento. Nei circuiti divisori di frequenza vengono solitamente utilizzate lampade a bassa potenza. La corrente che forniscono è troppo debole per far girare il motore sincrono che aziona l'orologio del contatto dei secondi. Pertanto, dopo il divisore di frequenza (che fornisce una corrente con una frequenza di 1000 Hz), è stato acceso un amplificatore che ha fornito diversi watt di potenza agli avvolgimenti del motore. In termini di stabilità, gli orologi al quarzo sono superiori a tutti gli orologi a pendolo esistenti. La fluttuazione media giornaliera del loro corso è di due decimillesimi di secondo. La creazione di orologi ultra precisi è un risultato eccezionale della scienza moderna. Molte istituzioni scientifiche hanno già acquisito orologi al quarzo. A Mosca, presso l'Istituto centrale di ricerca di geodesia, fotografia aerea e cartografia, il primo orologio al quarzo domestico costruito da PS Popov misura instancabilmente i secondi. L'Institute of Radio Measurements, lo Sternberg Astronomical Institute e altri istituti e osservatori hanno orologi al quarzo. Gli appassionati del nuovo modo di misurare il tempo affermano che presto gli orologi al quarzo sostituiranno completamente gli orologi a pendolo e diventeranno gli unici custodi del tempo. Ci sono anche scettici che contestano tali affermazioni. Senza negare gli evidenti vantaggi degli orologi al quarzo, sottolineano anche i loro svantaggi. Abbiamo già parlato dei vantaggi degli orologi al quarzo; questa è la loro insuperabile accuratezza e costanza, ovviamente, indipendenza da quasi tutti i fattori esterni. Quali sono i loro difetti? Gli astronomi chiedono che l'orologio che usano per misurare il tempo possa funzionare ininterrottamente per due, tre anni o più. Gli orologi al quarzo soddisfano questo requisito? Non proprio. Ricordiamo che sono alimentati dalla corrente della rete elettrica. La stazione smetterà di fornire corrente e l'orologio si fermerà. Ma questo non accadrà se l'orologio non è alimentato dalla rete, ma dalle batterie. - Esatto, - concordano gli scettici. - E l'invecchiamento del quarzo, con l'usura dei tubi radio? In effetti, il quarzo invecchia nel tempo e la frequenza delle sue oscillazioni cambia. Non è possibile garantire che qualsiasi lampada non si guasti improvvisamente. Tuttavia, gli appassionati di quarzo non hanno paura di un simile incidente. Installano nei loro laboratori non un orologio, ma tre, che lavorano in modo sincrono. Non importa se uno di loro si ferma. Fino a quando non saranno riparati, gli altri due terranno il tempo. La disputa continua, ma nel frattempo dozzine di orologi al quarzo servono regolarmente la scienza. Oggi la loro accuratezza soddisfa gli scienziati che conducono le ricerche più delicate. E cosa succederà domani? Sarà possibile trovare un nuovo standard di tempo, ancora più preciso? Forse la base di un tale standard saranno le molecole, o meglio, la frequenza delle loro vibrazioni. Gli scienziati sovietici stanno già lavorando in questa direzione. Autore: A. Brodsky
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