Der Chronolith (Technik)

Kann ein 4 kg schweres Pendel allein durch die Kraft des Lichts bewegt werden? Und wenn ja, kann man daraus eine Uhr machen? Um diese Frage zu beantworten, habe ich diese Uhr entwickelt, die so anders ist als alle anderen. Das Pendel schwingt im Sekundentakt und zwei Lampen auf beiden Seiten des Pendels leuchten abwechselnd auf, wodurch das Pendel jedes Mal „angetrieben“ wird. Das Funktionsprinzip des Pendels wurde 1873 von Sir William Crookes entdeckt. Die Röhre dient nicht nur als Motor für die Unruh, sondern auch als Bremse, indem sie die Amplitude der Unruh in einem sehr genauen Bereich reguliert. Im Inneren der Röhre herrscht ein Luftvakuum mit einem Unterdruck von etwa 0,01 bar. Das Anlaufen der Unruh erfolgt über einen Magneten, den man in die Nähe des Glases legt. Die Feineinstellung der Zeitbasis erfolgt von außen, indem die 4 Planetengewichte mithilfe desselben Magneten um die Unruhkugel gedreht werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, für jede Einstellung Luft einzufüllen, die Uhr auseinanderzunehmen und die Luft wieder einzufüllen. Die Uhr besteht also aus einer Glasröhre, einem Pendel, zwei Zellen (einfache Glimmerfolien), zwei Relais und einer Quarzuhr, aus der der Quarz entfernt wurde. Das ist alles. Die gesamte Uhr ist ohne Schrauben und Bolzen montiert und wird nur durch die Kraft des atmosphärischen Drucks zusammengehalten. Um sie auseinanderzunehmen, muss man nur Luft in die Röhre lassen.

Die Idee zu dieser Uhr kam mir im April 2001, das Material wurde im Mai bestellt und der allererste Versuch begann am Mittwoch, dem 7. November. Der Moment war entscheidend: Wenn der Test zeigte, dass das System nicht funktionieren konnte, hatte ich eine Glasröhre und eine große Vakuumpumpe am Hals. Der erste Prototyp war eine aufgehängte Boccia-Kugel und ein unglaublicher Haufen aus 30 Glimmerfolien (einfache Transistorisolierungen), die auf einer Seite mit Kerzenrauch geschwärzt waren. Ein Sensor wurde an der Außenseite der Glasröhre befestigt, ich machte ein Vakuum und ließ das Pendel gegen 16 Uhr schlagen. Da es eine gute Stunde dauert, bis sich das Pendel stabilisiert hat, ging ich etwas trinken und wartete auf die Ergebnisse. Als ich zurückkam, bewegte sich das Pendel immer noch. Da ich mir nicht sicher war, ob es dies aus eigener Trägheit tat, ging ich wieder etwas trinken. Um 19 Uhr schlug das Pendel immer noch aus und die Amplitude war konstant, also ging ich zum Feiern zurück. Um 22 Uhr ging die Uhr immer noch, ich aber nicht mehr so gut…

Die Uhr besteht aus einer Pyrexglasröhre (Durchmesser 190 mm, Dicke 8 mm), die auf einem Quarzitblock sitzt, der mit Epoxydharz imprägniert ist, damit er luftundurchlässig ist. Die große Kugel, die auf dem Foto zu sehen ist, ist das Zifferblatt mit Stunden- und Sekundenzeiger. Sie wurde dann im Januar aus ästhetischen Gründen gegen eine kleinere ausgetauscht.

Die ersten Tests zeigten eine unglaubliche Zuverlässigkeit. Die Zeitverzögerung lag bei etwa 2 Sekunden pro Monat.

„Dies ist die siebte und endgültige Version des Motors. Die Entwicklung war langsam, da es jedes Mal mindestens drei Stunden dauert, bis die Unruh nach dem ersten Impuls ihre Reiseamplitude erreicht hat. Zuerst musste man am Grad des Luftunterdrucks arbeiten, dann an der Form des Motors, um den größtmöglichen Gewinn zu erzielen. (Man muss sich klarmachen, dass die Uhr nicht funktionieren kann, wenn ein halber Fingerhut voll Luft hineinkommt…) Als das geschafft war, begann ich, die Leistung der Glühbirnen von 35 Watt auf nur noch 5 Watt zu senken. Damit sollte ihre Lebensdauer 32.000 Stunden betragen, was etwas weniger als 4 Jahren entspricht.

Diese Uhr ist „organisch“, weil sie sich an ungünstige physikalische Umstände anpasst, um ihre Genauigkeit zu bewahren: Sie gleicht von selbst alles aus, was die Amplitude der Unruh schwanken lassen könnte. Ich erkläre es mir so: Angenommen, die Leistung der Lampen steigt. Die Amplitude wird automatisch mitwachsen. Das bedeutet, dass das Pendel mit mehr Geschwindigkeit vor dem Sensor ankommt, was die Halogenlampe früher einschaltet, was wiederum… wird das Pendel einige millionstel Sekunden lang abbremsen und dann wie gewohnt anschieben.

(19. Dezember 2001) Die letzten Tage verbrachte ich vor allem damit, den Isochronismus des Pendels in Bezug auf den Druck im Inneren der Röhre zu verfeinern. Da es jedoch an meiner Werkbank befestigt ist, führt jede meiner Bewegungen zu Störungen von bis zu 150 Millionstelsekunden, was sich in Spitzenwerten auf dem Bildschirm des Messcomputers niederschlägt. Es ist daher unmöglich geworden, auf diese Weise länger zu arbeiten. Ich werde ihn dann morgen an der Wand in der Nähe des Schaufensters befestigen, damit diese Uhr so stabil wie möglich ist. Und die Genauigkeitstests können auf einer besseren Grundlage fortgesetzt werden…

(30. Dezember 2001) Die Genauigkeitstests haben begonnen. Erste Erkenntnis: Es ist sehr einfach, die Länge des Pendels mit Magneten zu verstellen. Zweite Feststellung: Die Uhr ist extrem genau. Es gibt keine störenden Wellen oder unverständliche Schwankungen. Die derzeitigen Schwankungen des Luftdrucks in der Röhre führen zu Schwankungen von nicht mehr als 5 Millionstel Sekunden pro Schlag. (Diese Schwankungen werden bei der endgültigen Montage der Röhre, die derzeit einige Verluste aufweist, verschwinden. Ich muss die Vakuumpumpe alle 9 Stunden einschalten, sonst bleibt die Uhr stehen…) Meine derzeitigen kleinen Sorgen rühren daher, wie ich durch die Röhre messen kann, die immerhin 16 mm aus Pyrexglas besteht. Da die Reflexionen des Messlaserstrahls zufällige Ungenauigkeiten verursachen, habe ich meine Messungen direkt an einer der Lampen vorgenommen. Jede einzelne Messung kann bis zu 8 Sekunden pro Tag instabil sein, aber ihr Mittelwert ist sehr zuverlässig. Im folgenden Beispiel, das über 4,9 Stunden aufgenommen wurde, können wir die Stabilität aller Messungen bewundern: 1,9 Sekunden Abweichung pro Monat. Diese Messung wurde in der Zwischenzeit durch weitere Stichproben über einen viel längeren Zeitraum bestätigt. Diese Uhr ist also die genaueste aller Uhren, die ich je gebaut habe! Und so wurde das, was als einfache Herausforderung begonnen hatte (ein Pendel zu bauen, das nur durch die Kraft des Lichts angetrieben wird), zu einer Belohnung. Das Abenteuer geht weiter…

(4,9-Stunden-Muster. 0,0000007 Sekunden Verzögerung pro Pendelschlag. Das bedeutet 1.9 Sekunden pro Monat)

(20. Januar 2002) Ich erhielt eine neue Vakuumpumpe und ein leistungsfähigeres Gerät zur Messung und Regulierung des Luftvakuums. Das bedeutet, dass die Uhr gegen Ende dieser Woche in einer optimalen Konfiguration laufen wird… Bleiben Sie dran!

(28. Januar 2002) Alle Tests in dieser Woche betrafen die Tests der Zeitfluktuation bei verschiedenen Luftdrücken. Die Ergebnisse sind atemberaubend. Hier sind einige Fakten.

– Das Halogenlicht bewegt das Pendel bei einem Unterdruck von 6 X 10 hoch -1 bar.

– Es bewegt es auch noch bei 1,4 x 10 hoch – 2 bar (maximale Leistung meiner Pumpe)

– Innerhalb dieser beiden Werte konnten keine nennenswerten Unterschiede in der Genauigkeit oder Schwankungen im Gang des Pendels festgestellt werden!

– Eine Einstellung der Planeten um ein halbes Grad führt zu einer Abweichung von etwa 0,0000007 Sekunden pro Schlag, d. h. etwa 1 Sekunde pro Monat.

– Die Temperaturunterschiede in der Werkstatt (ein Temperaturanstieg von etwa 4° während dieser Woche) scheinen keinen Einfluss auf den Gang der Unruh zu haben. Das erstaunt mich sehr, denn das sollten sie. Diese Tatsache ist wahrscheinlich auf die interne Selbstregulierung des Isochronismus zurückzuführen, aber das muss noch bestätigt werden.

(29. Januar 2001) Heute Morgen war ich verblüfft: Während die Präzisionsgrafiken immer flach waren, entdeckte ich…

regelmäßige und unverständliche Spitzen, die 12 Stunden zuvor begonnen haben und alle 2 Minuten auftreten. Die Unruh beschleunigt sich auf 1,99500 Sekunden und kehrt dann langsam zu ihrem Normalwert zurück. Die Gesamtzeit für jede Störung beträgt 22 Sekunden. Das Problem war schnell gelöst: Die Basis der Uhr hatte sich über Nacht bewegt und das Pendel berührte alle zwei Minuten die Glaswand. Ich stellte die Uhr wieder an ihren Platz und alles war wieder in Ordnung. Aber die so entstandene Grafik zeigte etwas viel Wichtigeres: den konstanten „Druck“ auf das Pendel. Wären die Spitzen unregelmäßiger angeordnet gewesen, hätte dies bedeutet, dass der „Druck“ nicht konstant ist und somit zu Ungenauigkeiten führt. Dies ist jedoch nicht der Fall.

(3. Februar 2002) Die Tests der nächsten zwei Wochen werden sich auf die Genauigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Licht und dem Grad der Depression beziehen. So sieht der arme Chronolith in seiner Folterkammer aus. Der Stein wurde abmontiert, das Zifferblatt entfernt und eine Vielzahl von Sensoren und Lasern zeichnen alle Parameter auf…

(8. März 2002) Die Arbeiten schreiten voran und der Chronolith hat endlich seine endgültige Form gefunden.

(24. März 2002) Lassen Sie uns nun über die Mängel dieser Uhr sprechen, denn sie sind weitaus interessanter und lehrreicher als ihre Vorzüge. Was passiert zum Beispiel, wenn eine Glühbirne ausgeht? Und wie wirkt sich die Abnutzung der Lampen auf die Amplitude des Pendels aus? Da der radiometrische Effekt stark von der Stärke des Lichts abhängt, müsste das Pendel sofort langsamer gehen. Aber die Uhr korrigiert sich selbst stark. Das folgende Bild zeigt dies genau. Bis zur Mitte des unteren Bildes ist eine der Glühbirnen maskiert, was 25 % weniger Leistung bedeutet. Danach nehme ich die Maske ab. Dann sieht man, wie die Kurve um etwa 5 Millionstel Sekunden pro Schlag ansteigt, was weniger als 0,5 Sekunden pro Tag entspricht. Es wird also sehr einfach sein, eine mögliche zeitliche Drift auszugleichen, indem man die Spannung an den Lampen verändert. Dies hat denselben Effekt wie das Drehen der Gewichte, aber ohne dass das Pendel angehalten werden muss.

Diese Probe wurde mit einer Lampenspannung von 7,3 Volt und einem Vakuum von 2,7 X 10 hoch -1 Millibar aufgenommen. Es ist ein Laser, der die Durchgänge des Pendels durch die Glasröhre misst. Wir können zufällige Schwankungen zwischen den einzelnen Proben sehen, die bis zu 20 Millionstel Sekunden betragen können. Es ist sehr wichtig zu wissen, woher diese Schwankungen kommen. Sie sind nicht auf Unterschiede in der Stärke des radiometrischen Effekts zurückzuführen, wie man auf den ersten Blick annehmen könnte. Nein, sie sind auf die Art und Weise zurückzuführen, wie der Chronolith ursprünglich konstruiert wurde. Denn die Sensoren, die den Lauf der Unruh registrieren, sind Infrarotsensoren, deren Strahl von einem Rückstrahler auf der Unruh reflektiert wird. Und sie sind überhaupt nicht genau. Wenn ich mein Messgerät direkt auf die Ausgänge der Zellen lege, erhalte ich folgendes Ergebnis, wenn ich es auf die gleiche Skala einstelle…

Wir sehen hier, wie ein Zufallsgenerator mit Zufallszahlen zwischen 1,999300 und 2,000700 eine sehr genaue Uhr antreibt. Wir sehen auch sehr deutlich, welche Korrekturen bei der nächsten vorgenommen werden. Man muss nur die Infrarotsensoren durch andere Laser ersetzen. Die Ästhetik des Chronolithen würde darunter leiden, wenn ich ihn damit ausstattete. Das war ja auch das Schwierigste während der gesamten Bauzeit. Es wäre so viel einfacher gewesen, eine größere Röhre zu nehmen, den Stein zu entfernen und die Probleme mit der Wasserdichtigkeit zu vermeiden… aber nein: Der Chronolith ist jetzt so, wie ich ihn haben wollte, kohärent, fertig und wie aus einem Guss.

Das Pendel

(21. April 2002) Der Chronolith ist immer noch in der Testphase. In diesen Tagen lasse ich ihn langsam ersticken, indem ich Luft einströmen lasse, während der Kontrollcomputer alle Parameter aufzeichnet. Er schafft es immer noch, die Unruh mit einem Druck von 8,5 X 10 hoch-1 Millibar zu drücken. Zu den weiteren Tests, die derzeit durchgeführt werden, gehören Zeiten in der prallen Sonne, um seine Fähigkeit zur Selbstkompensation zu bewerten. Oder die Trägheitstests und die Tests der Motorverstärkung… Diese Tests sollen noch einen Monat dauern, bis möglichst viele Erkenntnisse gewonnen sind, dann wird die Uhr für einige Zeit im Internationalen Uhrenmuseum in La Chaux de Fonds ausgestellt.

(1. Juli 2002) Der Chronolith gewann den ersten Preis beim internationalen Wettbewerb der Kinetic Art Organisation (Miami) in der Kategorie „Engineering Ingenuity“.

(23. September 2002) Der Chronolith ist am Eingang des Musée International d’Horlogerie in La-Chaux-de-Fonds aufgestellt.

Und wenn Sie neugierig auf ein bislang ungelöstes physikalisches Problem sind, das der Chronolith aufgeworfen hat, dann ist das jetzt der Fall. Diese Zeilen in englischer Sprache werden nur für Wissenschaftler interessant sein.

There is an still unsolved question about the Chronolith. Werfen Sie einen Blick auf das untenstehende Diagramm…

Ein Laserstrahl wird jede Sekunde durch den Lauf des Pendels geschnitten. Mein Computer ist so eingestellt, dass er die Gesamtzeit für 10 Schwünge erfasst und die Durchschnittszeit für einen Schwung in einer Datendatei aufzeichnet. Im obigen Bild ist die Mitte des Bildes auf eine Sekunde eingestellt und die grauen Skalenintervalle sind auf 0,000050 Sekunden eingestellt.

Horologen suchen immer nach der flachsten Linie. Eine höhere Linie sagt uns, dass die Uhr zu schnell läuft, und eine niedrigere zeigt, dass der Schlag des Pendels zu langsam ist. Die obige Grafik sieht einigermaßen gut aus, aber die Software plottet nicht alle Punkte. Ein detaillierterer Blick auf die Daten mithilfe von Microsoft Excel ist wesentlich interessanter. Eine große (5 MB) Excel-Datei mit viel mehr Details der aufgezeichneten Daten kann auf Wunsch heruntergeladen werden.

Diese Ansicht der Chronolith-Daten zeigt deutlich, dass das Pendel manchmal um 0,000020 Sekunden zu schnell und kurz danach um etwa 0,000020 Sekunden zu langsam ist . Warum ist das so? Das Histogramm unten zeigt die Verteilung der gemessenen Zeitintervalle.

Das Histogramm wurde von Bob Holmstrom berechnet

Das kann kein Glück sein. Das einzige, was ich weiß, ist, dass dieser Umstand immer häufiger auftritt, wenn der Luftdruck im Rohr steigt. Wenn ich langsam etwas Luft in die Pfeife eindringen lasse, bis der radiometrische Effekt ausläuft, können wir sehen, dass die
störungen in einem größeren Bereich immer häufiger auftreten, bis das Pendel stoppt.

Von Bob Holmstrom berechnetes Histogramm

Die Frage, warum wir diese Art von Phänomenen sehen können, wurde bislang noch nicht beantwortet.