ショート・シンクロノーム時計
メリーランド州ゲイサーズバーグにある米国国立標準技術研究所博物館にあるショート時計。この時計は1929年に購入され、物理学者ポール・R・ヘイルによる万有引力定数の測定に使用されました。左側は真空タンク内の主振り子です

ショート・シンクロノーム自由振り子時計は、 1921年にイギリスの鉄道技師ウィリアム・ハミルトン・ショートと時計学者フランク・ホープジョーンズが共同で発明し、[ 1 ]ロンドンのシンクロノーム社で製造された複雑で精密な電気機械式振り子時計である。[ 2 ] これまでに商業的に生産された中で最も正確な振り子時計であり、[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 1920年代から1940年代にかけて時間計測の最高基準となり、[ 7 ]その後、機械式時計は石英時間標準に取って代わられた。ショートは世界中の天文台、海軍天文台、科学研究、および国家時間配信サービスの主要基準として使用された。ショートは地球よりも正確な時間管理を可能にした最初の時計であった。 1926年には地球の自転速度の小さな季節変化を検出するために使用されました。[ 3 ] [ 7 ] [ 8 ] ショート時計は年間約1秒の精度を達成しましたが、[ 3 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]最近の測定ではさらに正確であることが示されました。1922年から1956年の間に約100台が製造されました。[ 10 ] [ 12 ]

ショート時計は2つの振り子で時間を計っていました。1つは真空タンク内で振動する主振り子、もう1つは別の時計に内蔵された副振り子で、副振り子は電気機械的な手段で主振り子と同期していました。副振り子は時計の計時機構に取り付けられていたため、主振り子は外部からの干渉をほとんど受けませんでした。

説明

ショート時計は2つの独立したユニットから構成されています。1つは直径26cm、高さ125cmの銅製真空タンクに入れられた主振り子で、壁に取り付けられています[ 13 ]。もう1つは、数フィート離れたところに設置され、主振り子に固定された精密振り子時計です。振り子が連動する可能性を防ぐため、2つのユニットは別の部屋に遠く離れた場所に設置されるか、2つの振り子の振動面が90度異なるように配置されました。副時計は、標準的なシンクロノーム精密レギュレーター時計を改造したものです。2つの部品は電線で接続され、電線が電磁石を作動させて2つの振り子を同期させています。主振り子の棒と14ポンドの重りは合金​​のインバーで作られており、振り子の熱膨張と収縮を減らすことで、温度変化による振り子の周期の変化を防ぎます。残留熱膨張率は、おもりの下に金属インサートを入れることでゼロに補正されています。真空タンクは手動ポンプで約30  mmHg（40  hPa）[ 14 ]まで減圧され、大気圧の変化が振り子の速度に影響を与えないようにするとともに、振り子にかかる空気抵抗を大幅に減らし、 Q値を25,000から110,000に増加させ、[ 15 ]精度を4倍に向上させた。ショートの実験では、30 mmHgでは、サスペンションスプリングの曲げによって消費されるエネルギーが残留空気分子を偏向させるのに消費されるエネルギーとちょうど等しく、より高い真空度は必要ないことが示された。[ 14 ]

振り子は両方とも秒振り子で、長さ約1メートル（39インチ）、周期は2秒でした。主振り子の1回の振動は正確に1秒かかり、副振り子の自然振動数はそれよりわずかに長かったです。振り子は30秒ごとに機構から押されて振動し続けました。副時計には2つの文字盤があり、それぞれの振り子の時刻が表示され、同期していることを確認しました。また、1Hz のタイミング信号を生成する電気端子もありました。これに電線を接続すれば、時計の超高精度な時刻信号を他の都市の時計に送信したり、ラジオで放送したりすることができました。

精度の理由

一次振り子タンク

真空中で摩擦なく、外部からの擾乱がなく一定の振幅で振動する振り子は、理論上は完璧な時間を保ちます。 [ 2 ] しかし、時計の振り子は時計の機構に連結されている必要があり、それが振り子の自然な振動を妨げ、これが20世紀初頭の高精度時計の誤差の主な原因でした。通常の時計の機構は、振動するたびに振り子と相互作用して2つの機能を実行します。第1に、振り子は時間の経過を記録するために何らかの連結機構を作動させる必要があります。第2に、連結機構によって作動する時計の機構は、摩擦で振り子が失うエネルギーを補充するために振り子を押す（インパルス）必要があり、これにより振り子が振動し続けます。これら2つの機能はどちらも振り子の動きを妨げます。

ショート時計の利点は、第一に、振り子に正確に 30 秒ごとに 1 回 (振り子の振動 30 回) の衝撃を与えることによって、衝撃による主振り子の乱れを軽減したこと、第二に、二次時計を制御する (および時間の経過を記録する) ために必要な正確なタイミング信号を衝撃機構自体から生成することによって主振り子とのその他のすべての相互作用を排除し、振り子が干渉を受けずに「自由に」振動できるようにしたことです。

仕組み

主振り子と副振り子はフィードバックループで連結されており、副振り子を主振り子と同期させていました。[ 1 ] [ 14 ]副時計には15歯の歯車を使った機械式脱進機があり、振り子に取り付けられた 爪によって右振り子が1回振れるたびに前進しました

この脱進機は15振動（30秒）ごとに重力レバーを解放し、二次振り子を押します。二次振り子が落ちると、二次振り子の重力レバーがスイッチを閉じ、電磁石を作動させます。電磁石は二次振り子の重力レバーをリセット（上昇）し、同時に一次ユニット内の電磁石に電流パルスを送り、二次重力レバーを解放して一次振り子を押します。

主振り子への衝撃は、主振り子の重力レバー（ルモントワとして機能）の重量が主振り子に取り付けられたホイールから転がり落ちることで提供され、このメカニズムにより、主振り子は 30 秒ごとに、ストロークの正確に同じ部分に非常に近い位置で、主振り子の重力レバーから同一の機械的衝撃を受け取ることが保証されます。

落下する主振り子の重力レバーは、第2の電気回路の一対の接点を閉じ、レバーをリセットし、第2ユニットのヒットアンドミスシンクロナイザーに電気パルスを送り返しました。第2ユニットによって開始される周期の開始時刻は30秒ごとにわずかに変動する可能性がありますが、リセットと同期の動作（主時計の重力アームアセンブリの宝石が振り子のホイールから外れた瞬間にのみ開始されます）は主振り子の位置に固定され、「自由」（主）振り子から得られる正確な時刻を表していました。

ヒットアンドミスシンクロナイザー

一次振り子からのパルスは、「ヒットアンドミスシンクロナイザー」と呼ばれる装置を介して二次振り子の位相を合わせるために使用されました。 [ 16 ]

主振り子に衝撃が与えられた後、30回の振動ごとに、2つの振り子の位置が比較されました。これは、主振り子の重力レバーによって作動する第2回路からの電気パルスによって行われました。この電気パルスは、第2ユニット内の第2の電磁石を用いて、羽根を第2振り子に取り付けられた板バネの軌道上に移動させます。第2振り子が主振り子より遅れている場合、バネは羽根に引っ掛かります（「ヒット」と呼ばれます）。バネは第2振り子を押し、その振動時間を短縮します。第2振り子が第1振り子より進んでいる場合（「ミス」）、板バネは羽根を逃し、第2振り子は板バネによる加速を受けずに通常の振動を行います。

二次振り子は一次振り子よりもわずかに遅い速度に設定されていたため、二次振り子は一次振り子に対し、間隔ごとに遅れをとるようになり、「ヒット」を受けて再び進み始めるまで続いた。通常、「ヒット」による加速度は通常の損失の約2倍に調整され、「ヒット」と「ミス」のサイクルがほぼ交互に発生するため、この機構の名前の由来となった。このサイクルが何度も繰り返されることで、二次振り子は長期にわたって一次振り子と正確に同期していた。このフィードバックループは位相同期回路の電気機械版として機能し、後に電子機器や水晶時計、原子時計に利用された。

元のコスト

1928年、アメリカの発明家アルフレッド・リー・ルーミスはフランク・ホープ＝ジョーンズの工房を訪れ、ほぼ完成していた6番目の時計を見せられた。ルーミスは価格が240ポンド（2023年の17,000ポンドに相当）と聞かされると[ 17 ] 、3つの時計を注文し、最初の時計の代金を前払いすることでホープ＝ジョーンズを驚かせた。3つの時計はすべて、ニューヨーク州タキシード・パークにあるルーミスのルーミス研究所に設置された[ 18 ]。

最近の精度測定

1984年、ピエール・ブシュロンは、アメリカ海軍天文台に展示されていた、実際に稼働しているショート時計の精度を研究しました。[ 3 ] [ 19 ] 振り子の動きを妨げずに正確な時刻を検出する最新の光学センサーを用いて、彼はその精度を原子時計の1か月間の精度と比較しました。彼は 、 1日あたり 200マイクロ秒（ 2.31ppb）の精度で安定していることを発見しました。これは12年間で1秒の誤差に相当し、以前に測定された1年間で1秒よりもはるかに正確でした。彼のデータは、時計が非常に感度が高く、太陽と月の重力によって引き起こされる固体地球の潮汐歪みによる重力のわずかな変化を検出していることを明らかにしました。 [ 20 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b Britten, FJ; JW Player (1955). Britten's Watch and Clockmaker's Handbook, Dictionary, and Guide, 第15版. 英国: Taylor & Francis. pp.  373– 375.
  2. ^ a bランス・デイ、イアン・マクニール (1998).技術史人物辞典. テイラー＆フランシス. p. 640. ISBN 978-0-415-19399-3。
  3. ^ a b c dジョーンズ、トニー (2000). 『秒を分割する：原子時間の物語』 米国：CRCプレス. p. 30. ISBN 978-0-7503-0640-9。
  4. ^ミルハム、ウィリス・I. (1945). 『時間とタイムキーパー』 ニューヨーク：マクミラン、615ページ
  5. ^マリソン、ウォーレン (1948). 「水晶時計の進化」 .ベルシステム技術ジャーナル. 27 (3): 510– 588. doi : 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x . 2014年2月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  6. ^ 「リーフラー時計とショート時計」 JagAir Institute of Time and Technology . 2009年12月29日閲覧。
  7. ^ a b cベッツ、ジョナサン（2008年5月22日）。「専門家の陳述書、ケース6（2008～2009年）ウィリアム・ハミルトン・ショート規制当局」。輸出許可聴聞会、美術品及び文化財の輸出審査委員会。英国博物館・図書館・公文書館協議会。 2009年10月25日時点のオリジナル（DOC）からアーカイブ。 2009年12月29日閲覧。
  8. ^ザイデルマン、P. ケネス、デニス・D. マッカーシー (2009). 『時間：地球の自転から原子物理学まで』 ニューヨーク: Wiley-VCH. p. 138. ISBN 978-3-527-40780-4。
  9. ^マティス、ロバート・J. (2004). 『正確な時計の振り子』 イギリス：オックスフォード大学出版局. p. 1. ISBN 978-0-19-852971-2。
  10. ^ a b「原子時計」p. 6.オンライン情報。科学博物館、ケンジントン、英国、ウェブサイト。2008年。2009年12月29日閲覧
  11. ^ Riehle, Fritz (2004).周波数標準：基礎と応用. ニューヨーク: Wiley-VCH. p. 8. ISBN 978-3-527-40230-4。
  12. ^ 「ロット412 / セール6070：英国製電気天文台レギュレーター」。オークション販売記録。クリスティーズ・オークションハウスのウェブサイト。1998年11月25日。2009年12月29日閲覧
  13. ^ Ketchen, Richard (2008年2月). 「Shortt free-pendulum regulator, primary clock no. 17, inventory Number: 1998-1-0187a」 . Collection of Historical Scientific Instruments . Dept. of History of Science, Harvard Univ. 2011年7月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年12月30日閲覧。
  14. ^ a b c Bosschieter, JE (2000). 「ショートの自由振り子」 .電気時計の進化の歴史. Bosschieter ウェブサイト. 2009年12月30日閲覧。
  15. ^マティス、2004年、112ページ
  16. ^アッシャー、アボット・ペイソン（1988年）『機械的発明の歴史』クーリエ・ドーバー、317ページ。ISBN 0-486-25593-X。
  17. ^英国の国内総生産（GDP）デフレーターの数値は、 Thomas, Ryland、Williamson, Samuel H. (2024)に掲載されているMeasuringWorthの「一貫したシリーズ」に従っています。「当時の英国のGDPは？」MeasuringWorth。2024年7月15日閲覧
  18. ^ Alvarez, Luis W. (1977年7月). Alfred Lee Loomis 1887-1975: A biographical memoir (Report). US Energy Research and Development Administration . pp.  15– 17. 2020年10月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  19. ^ブシュロン、ピエール・H. (1985年4月). 「ショート時計はどれほど優れていたのか？」 .全米時計収集家協会紀要. 27 ( 2–235 ). ペンシルベニア州コロンビア: NAWCC : 165–173 . ISSN 0027-8688 .書籍ID 8247 ; 「参考文献」 に引用 。Boucheron – NAWCC 235 . Rolling Ball Web (Report). book ID 8247 . 2010年8月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  20. ^ブシュロン、ピエール H. (1986 年 3 月)。「振り子の周期に対する太陽と月の重力の影響」(PDF)。古物時計学。16 (1)．タイスハースト、イーストサセックス、英国: Antiquarian Horological Society: 53–65 . ISSN 0003-5785 。2013 年12 月 13 日に取得。 

さらに詳しい文献

「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Shortt–Synchronome_clock&oldid=1292132377」より取得