O documento descreve a evolução histórica da medição do tempo, desde os primeiros cronômetros baseados no movimento do sol até o desenvolvimento dos primeiros relógios mecânicos precisos entre os séculos 15 e 16. Os egípcios e babilônios criaram calendários baseados nos ciclos lunares e solares, enquanto os gregos e romanos desenvolveram relógios de água. No século 16, Henlein introduziu relógios movidos a mola, permitindo versões portáteis e mais precisas.

1. Uma medida do tempo As pessoas sempre lutaram com o tempo e a sua habilidade para medi-lo. As estruturas de tempo em suas vidas separa o jovem do velho. Porque tempo tem tal interferência nas mudanças das suas vidas, eles olham à constância de objetos mecânicos para marcar seu progresso. Os primeiro cronômetro foi inventado ao redor de 3500 AC, localizava a sombra do sol, tal como um dial de sol. O primeiro relógio foi inventado em 1510. Depois, alguns anos Galileu notou que pêndulos tinham um comportamento periódico, e em 1656 foi construído o primeiro relógio de pêndulo. Durante os séculos, foram projetados vários outros relógios para medir o tempo desde os de cristais de quartzo e oscilações atômicas, para medir o fluxo da eletricidade. Porém, todos os relógios se baseiam em mecanismos da constância do movimento para medir o simplesmente o tick-tack do tempo.

2. Uma medida do tempo Atividades características : Movimento harmônico simples Muitos objetos, natural e manual, movem-se em ciclo constante. Tal comportamento harmônico, porque acontece com uma pulsação regular, é uma medida excelente de tempo, tão básico quanto as mudanças entre noite e dia. A atividade do Movimento Harmônico Simples nos deixa estudar e manipular o comportamento cíclico de dois dispositivos, um pêndulo e uma mola. Nesta atividade, você pode controlar as propriedades físicas destes dispositivos, como a duração do pêndulo, a força da mola ou a força de gravidade. Em alguns casos, os tempos harmônicos mudam, enquanto em outros não. A toda hora, os objetos mostrarão movimentos harmônicos simples. Gaste alguns minutos para experimentar com uma atividade. Seria melhor se você usasse um cronômetro para monitorar como o mecanismo de tempo muda à medida que mudamos suas propriedades. Você deveria achar semelhanças fundamentais entre a mola e o pêndulo, mas também algumas diferenças inesperadas.

3. Uma medida do tempo Dentro dos relógios antigos Em 1875, os relógios antigos, também conhecidos como pêndulo ou relógios de chão, obtiveram o seu nome de canção de Henry Work que começava, “Oh, o relógio do meu avô..." Embora a sua construção seja muito mais complicada do que a de um pêndulo simples, seu desenho básico é mais simples do que você poderia pensar. O pêndulo de um relógio é preso a uma haste, e à medida que o pêndulo balança, a haste move uma engrenagem. A ação entre a haste e a engrenagem produz o tique-taque do relógio. Porém, um pêndulo perde energia lentamente por fricção, e perderia muito mais se tivéssemos que usar as mãos para fazê-lo funcionar. Ao invés, relógios de avô usam um par de pesos para ajudar o relógio. A engrenagem da haste baixa um peso que provê energia para mover as outras engrenagens e mover os braços do relógio. O segundo peso serve para dar corda no relógio de forma que possa funcionar durante vários dias antes que seja preciso rebobina-lo. Finalmente, a haste aciona o pêndulo lentamente para superar a fricção e mantém o relógio se movendo a uma velocidade constante.

4. Uma medida do tempo Calendários antigos Corpos celestiais, o sol, lua, planetas, e nos serviu como referência para medir a passagem do tempo ao longo de nossa existência. As civilizações antigas confiaram no movimento aparente destes corpos pelo céu para determinar estações, meses, e anos. Nós sabemos pouco sobre os detalhes da medição do tempo nas eras pré-históricas, mas onde quer que acessemos registros e artefatos, nós normalmente descobrimos que em toda cultura, alguém estava preocupado em medir e registrar a passagem do tempo. Os caçadores da idade do gelo na Europa traçaram linhas, buracos ou ossos em varas, há mais de 20.000 anos atrás, para contar os dias possivelmente entre as fases da lua. Cinco mil anos atrás, os Sumérios no vale do Tigre-Eufrates, hoje Iraque, tinham um calendário que dividia um ano meses de 30 dias, dividia o dia em 12 períodos (cada um correspondia a duas de nossas horas), e dividiam estes períodos em 30 partes (cada um igual quatro de nossos minutos).

5. Uma medida do tempo Calendários antigos Nós temos nenhum registro escrito sobre Stonehenge, construída na Inglaterra há mais de 4000 anos atrás, mas seus alinhamentos mostram aparentemente que seu propósito era determinar eventos sazonais ou celestiais, como eclipses lunares, solistícios e assim por diante. O calendário egípcio mais antigo era baseado nos ciclos da lua, mas depois os egípcios perceberam que a estrela Cão em Canis Maior, a qual nós chamamos Sirius, aparecia próxima ao sol a cada 365 dias, justamente quando a inundação anual do Nilo começava. Baseados neste conhecimento, eles inventaram um calendário de 365 dias que parece ter começado em 4236 a.C., o ano mais antigo registrado na história. Novamente no Iraque, na Babilônia, um ano de 12 meses que alternava meses lunares de 29 dias e 30 dias meses foi observado antes das 2000 a.C., dando uns 354 dias.

6. Uma medida do tempo Relógios antigos : Não é nem um pouco recente (quer dizer, em termos de história humana) que as pessoas tinham a necessidade der saber o tempo de um dia. O melhor que sabemos é que há de 5000 a 6000 anos atrás as grandes civilizações do Oriente Médio e Norte da África iniciaram a construção do relógio em oposição aos calendários. Com as suas burocracias e religiões formais, estas culturas descobriram a necessidade de organizar o seu tempo mais eficazmente. Relógios solares : Depois que a cultura Sumeriana extingui-se sem passar seu conhecimento, os egípcios foram os próximos a formalmente dividir seus dias em partes como nossas horas. Os obeliscos, esbeltos, afilados, e de quatro faces foram construído já em 3500 a.C. e as mudanças no trajeto de sua sombra formavam um tipo de relógio solar e permitia os cidadãos dividir o dia em duas partes indicando o meio dia. Eles também mostraram os dias mais longos e menores do ano quando a sombra à tarde era a menor ou a maior do ano. Depois, marcadores adicionados ao redor da base do monumento indicariam subdivisões de tempo adicionais.

7. Uma medida do tempo Outro relógio de sombra egípcio ou relógio solar, possivelmente o primeiro cronômetro portátil, apareceu ao redor de 1500 a.C. para medir a passagem das horas. Este dispositivo dividiu um dia iluminado pelo sol em 10 partes mais duas horas de manhã e no crepúsculo. Quando o talo longo com cinco marcas espaçados era orientado para o leste e oeste de manhã, uma linha transversal elevada no fim oriental lançou uma sombra móvel em cima das marcas. Ao meio-dia, o dispositivo era virado na direção oposta para medir as horas “de tarde”. O merkhet, a ferramenta astronômica mais antiga conhecida, foi uma criação egípcia ao redor de 600 a.C. Um par de merkhets era usado para estabelecer uma linha norte-sul e se alinhando com a estrela polar. Eles poderiam ser usados para registrar as horas noturnas determinando quando certas estrelas cruzavam o meridiano. Devido à demanda por precisão para medir o ano, os relógios de sol evoluíram de pratos planos horizontais ou verticais para formas mais elaboradas. Umas versões em disco hemisférico amoldavam uma forma de depressão, uma tigela amoldada em um bloco de pedra, como um gnomo central na vertical (haste ou ponteiro) e desenhada com grupo das linhas das horas para estações diferentes. O hemiciclo teria sido inventado aproximadamente em 300 a.C., removeu a metade do hemisfério para dar uma aparência de uma meia-tigela na extremidade de um bloco quadrado. Em 30 a.C., Vitruvius descreveu 13 tipos diferentes de relógios solares em uso na Grécia, Ásia Menor e Itália.

8. Uma medida do tempo Elementos de um Relógio Tendo descrito uma variedade de modos inventados durante os últimos milênios para marcar a passagem de tempo, é instrutivo definir resumidamente o que constitui um relógio. Todos os relógios têm que ter dois componentes básicos: Um processo regular, constante e repetitivo, isto é, uma ação para separar incrementos iguais de tempo. Nos exemplos anteriores de tais processos incluíam o movimento do sol pelo céu, lamparinas com marcas do nível do óleo, ampulhetas, e no Oriente, pequenas pedras ou placas de metal com incenso que queimava a um certo passo. · U m meio de manter rastro dos incrementos de tempo e exibir seu resultado. Nossos meios de manter o rastro da passagem do tempo incluem relógios de pulso e marcação do tempo de forma digital. A história do registro do tempo será sempre uma história da procura de ações consistentes ou processos para regular a taxa de um relógio.

9. Uma medida do tempo Relógios d'água Os relógios d'água estão entre os mais antigos métodos de medição do tempo que não dependiam da observação dos corpos celestiais. Um do mais velhos foi descoberto na tumba de Amenhotep I, enterrado ao redor de 1500 a.C. Depois denominado de clepsidras (o ladrão d'água) pelos gregos que começaram a usá-los aproximadamente em 325 a.C., estes eram vasilhas de pedra que se inclinavam lateralmente que permitia à água gotejar a uma taxa quase constante por um buraco pequeno perto do fundo. Outras clepsidras eram cilíndricas ou recipientes tigelas-amoldadas e projetadas para se encher lentamente com a água que entrava a uma taxa constante. Marcas no lado de dentro das superfícies mediam a passagem das horas de acordo com o nível da água. Estes relógios foram usados para determinar horas noturnas, mas pode ter sido muito bem usados na luz do dia. Outra versão consistiu em uma tigela de metal com um buraco no fundo; quando colocada em um recipiente d'água a tigela se enchia e por um período de tempo. Estes ainda estavam em uso na África Norte este século.

10. Uma medida do tempo Foram desenvolvidos relógios d'água mecanizados mais elaborados e impressionantes entre 100 a.C. e 500 d.C. pelos astrônomos gregos e romanos. A complexidade somada foi ajudou a criar um fluxo mais constante regulando a pressão, e forneceu resultados mais caprichosos da passagem de tempo. Alguns relógios d'água soavam sinos e gongos, outros abriam portas e janelas para mostrar a figura de uma pessoa, ou moviam ponteiros, dial, e modelos astrológicos do universo. O astrônomo grego, Andronikos, supervisionou a construção da Torre dos Ventos em Atenas no século I a.C. Esta estrutura octogonal mostrava relógios solares, bem como, indicadores de horas mecânicos. Caracterizava uma clepsidras mecanizada de 24 horas e indicava os oito ventos que originou o nome da torre, e mostrava as estações do ano, datas astrológicas e períodos. Os romanos também desenvolveram clepsidras mecanizadas, entretanto a sua complexidade produziu pouca melhoria em relação aos métodos mais simples de determinar a passagem de tempo.

11. Uma medida do tempo No Leste, relógios astrológicos/astronômicos mecanizados desenvolveram-se entre 200 a 1300 d.C. As clepsidras chinesas do primeiro terço do século criaram vários mecanismos que ilustraram um fenômeno astronômico. Um das torres de relógio mais elaboradas foi construído por Su Sung e seus súditos em 1088 d.C. O mecanismo de Su Sung incorporava um dreno d'água inventado aproximadamente em 725 d.C. A torre, com mais de 30 pés de altura possuía uma esfera de bronze para observações, um globo celestial que girava automaticamente, e cinco painéis frontais com portas que permitiam ver mannikins variáveis que soavam sinos ou gongos, e presos em tabletes que indicavam a hora ou outros tempos especiais do dia. Como a taxa de fluxo d'água é muito difícil de controlar com precisão, um relógio baseado naquele fluxo nunca pode alcançar uma excelente precisão.

12. Uma medida do tempo Uma revolução na medição do tempo Na Europa durante a maioria da Idade Média (de 500 a 1500 d.C.), avanço tecnológico estava em desenvolvimento. Estilos de relógio solares evoluíram, mas nada além dos princípios egípcios antigos. Durante este tempo, foram usados relógios solares simples colocados sobre entradas para identificar meio-dia e as quatro marés do dia iluminado pelo sol. Pelo século X, vários tipos de relógios solares de bolso eram usados. Um modelo inglês identificava as marés e até mesmo compensava as mudanças sazonais da altitude do sol. Então, do inicio ao meio do século XIV, os grandes relógios mecânicos começaram a aparecer nas torres de várias cidades italianas. Não temos nenhuma evidência ou registro do funcionamento dos modelos destes relógios públicos que eram pesos-dirigidos e foram regulados por um martelo de escapamento. Os mecanismos de martelo reinaram por mais de 300 anos com variações na sua forma. Todos tiveram o mesmo problema básico: o período de oscilação deste escape dependia pesadamente da quantidade de força motriz e a quantidade de fricção no mecanismo. Como fluxo nos relógios de fluxo d’água, a taxa era difícil de regular. Outro avanço foi à invenção de relógios com molas entre 1500 e 1510 por Peter Henlein de Nuremberg. Substituindo os pesos permitiu relógios menores e portáteis. Embora fosse necessário dar-lhes corda, eles eram populares entre indivíduos ricos devido ao seu tamanho e o fato de que eles podiam ser postos em uma estante ou mesa em vez de pendurar da parede. Estes desenhos forma os precursores dos relógios verdadeiramente preciso.

13. Uma medida do tempo Relógios mecânicos precisos : Em 1656, Christian Huygens, um cientista holandês, fez o primeiro relógio pêndulo, regulado por um mecanismo de período natural de oscilação. Embora Galileu Galilei, às vezes citado como inventor o pêndulo, que já estudava seus movimentos em 1582, o desenho de Galileu para um relógio não foi construído antes da morte dele. O relógio pendular de Huygens continha um erro de menos de 1 minuto ao dia, foi a primeira vez que tal precisão tinha sido alcançada. Com mais alguns refinamentos o erro foi reduzido para menos de 10 segundos ao dia. Ao redor 1675 Huygens desenvolveu o balancim do relógio e o mecanismo da mola, até hoje achados em alguns relógios. Em Londres em 1671 William Clement começou a construir relógios com novos pêndulos e com mecanismo de escape de recuo, uma melhoria significativa porque interfere menos com o movimento do pêndulo. George Graham melhorou a precisão do relógio pendular para 1 segundo ao dia compensado pelas mudanças na oscilação do pêndulo devido às variações de temperatura em 1721. O John Harrison, carpinteiro e fabricante autodidata refinou as técnicas de compensação de temperatura de Graham e métodos novos foram criados de reduzir a fricção. Por 1761 ele tinha construído um cronômetro marinho com uma mola e escape volante que ganhou um prêmio do governo britânico (de mais de $2.000.000 na moeda corrente de hoje) que permitia determinar a longitude dentro do limite de meio grau durante uma viagem. Manteve tempo a bordo de um navio com margem de erro de um-quinto de segundo ao dia, quase como também um relógio pendular poderia fazer em terra, 10 vezes melhor que o exigido.

14. Uma medida do tempo Relógios mecânicos precisos Em cima dos próximos refinamentos do século fomos conduzidos em 1889 ao relógio de Siegmund Riefler com um pêndulo quase livre que atingia uma precisão de um centésimo de segundo ao dia e se tornou o padrão em muitos observatórios astronômicos. Um verdadeiro princípio do pêndulo livre foi introduzido por R. J. Rudd aproximadamente em 1898, que estimou a criação de vários destes relógios. Um do mais famosos, o de W. H. Shortt foi demonstrado em 1921. O relógio de Shortt substituiu o relógio de Riefler quase que imediatamente como cronômetro em muitos observatórios. Este relógio consistia-se de dois pêndulos, um escravo e o outro mestre. O pêndulo escravo dá ao pêndulo mestre empurrões gentis para manter seu movimento, e também dirige os ponteiros do relógio. Isto permite o pêndulo de mestre permanecer livre de tarefas mecânicas que perturbariam sua regularidade.

15. Uma medida do tempo Relógios de quartzo O relógio de Shortt foi substituído como o padrão através dos relógios de quartzo cristalinos nos anos 30. A operação do relógio de quartzo está baseada na propriedade piezelétrica dos cristais de quartzo. Se você aplica um campo elétrico no cristal, muda sua forma, e se você o comprime ou dobra, gera um campo elétrico. Quando o colocamos em um circuito eletrônico satisfatório, esta interação entre tensão mecânica e campo elétrico faz com que o cristal vibre e gere uma freqüência constante de sinal elétrico que pode ser usado para operar uma exibição eletrônica. Os relógios de quartzo cristalino eram melhores porque não tinham nenhuma engrenagem ou escape para perturbar a sua freqüência regular. Mesmo assim, eles ainda dependiam de uma vibração mecânica cuja freqüência dependia criticamente da forma e do tamanho do cristal. Embora, dois cristais nunca podem ser precisamente semelhantes, e com a mesma freqüência, tais relógios continuam dominando o mercado em números porque seu desempenho é excelente e são baratos. Mas o desempenho dos relógios de quartzo foi ultrapassado substancialmente pelos relógios atômicos.

16. Uma medida do tempo A Idade atômica do tempo Os cientistas tinham percebido há muito tempo que átomos e moléculas tem ressonâncias; cada elemento químico e composto absorve e emite radiação eletromagnética em freqüências próprias e características. Estas ressonâncias são estáveis com o passar do tempo ou do espaço. Um átomo de hidrogênio ou césio hoje é exatamente o mesmo de um milhão de anos atrás, aqui ou em outra galáxia. É um pêndulo em potencial, com uma taxa de ressonância que poderia formar a base para relógios mais precisos. O desenvolvimento do radar e comunicações de rádio freqüência extremamente altas nos anos trinta fez possível à geração do tipo de ondas eletromagnéticas (microwaves) interagirem com os átomos. Pesquisa apontou para o desenvolvimento do relógio atômico enfocado primeiro nas ressonâncias das ondas eletromagnéticas na molécula de amônia. Em 1949 o NIST construiu o primeiro relógio atômico baseado em amônia. Porém, seu desempenho não era muito melhor do que os padrões existentes, e atenção voltaram-se imediatamente para algo mais-promissor, dispositivos atômicos baseados em césio. Em 1957 o NIST completou seu primeiro dispositivo de feixe atômico de césio, e em seguida uma segunda unidade foi construída para prova de comparação. Em 1960 os padrões césio tinham sido refinados bastante serem incorporados ao sistema de controle de tempo oficial da NIST.

17. Uma medida do tempo A Idade atômica do tempo Em 1957 o NIST completou seu primeiro dispositivo de feixe atômico de césio, e em seguida uma segunda unidade foi construída para prova de comparação. Em 1960 os padrões césio tinham sido refinados bastante serem incorporados ao sistema de controle de tempo oficial da NIST. Em 1967 a freqüência natural do átomo de césio foi reconhecida formalmente como a nova unidade internacional de tempo: um segundo foi definido como exatamente 9.192.631.770 oscilações ou ciclos da freqüência de ressonância do átomo de césio que substituiu o antigo segundo definido em termos dos movimentos da terra. Os melhores padrões de césio primários mantêm um tempo de aproximadamente um milionésimo de um segundo ao ano. Muito da vida moderna veio depender da precisão do tempo. A comunicação fabrica, energia elétrica e muitas outras tecnologias ficaram dependentes de relógios superprecisos. A pesquisa científica e as demandas tecnológicas modernas continuam dirigindo nossa necessidade por relógios mais precisos. A próxima geração de padrões de tempo de césio está presentemente nos laboratórios da NIST e outros laboratórios ao redor do mundo.

18. Uma medida do tempo Escalas mundiais de tempo Em 1840 o tempo padrão de Greenwich foi estabelecido para toda a Inglaterra, Escócia, e Gales e substituiu vários sistemas de hora local. O Observatório de Greenwich era o foco deste desenvolvimento porque tinha representado um papel chave na navegação que é baseada no tempo preciso. O GMT (Greenwich Mean Time) subseqüentemente evoluiu como a referência de tempo oficial para o mundo e serviu a este propósito até 1972. Os Estados Unidos criaram o Observatório Naval norte-americano (USNO) em 1830 para cooperar com o observatório de Greenwich e outros observatórios mundiais para determinar o tempo baseado em observações astronômicas. O controle do tempo destes observatórios era ainda focado à navegação. O tempo tinha que refletir uma taxa de mudança em relação à rotação da terra; caso contrário os navegantes cometeriam sérios erros. Assim, o USNO foi responsável por fornecer um tempo com base no tempo da terra, e outros serviços, inclusive almanaques, necessários à navegação marítima e aérea. Com o advento dos relógios atômicos altamente precisos, os cientistas e tecnólogos reconheceram a insuficiência do controle do tempo baseado no movimento da terra que flutua a taxas de centenas de segundos ao dia. A redefinição do segundo em 1967 forneceu uma referência excelente para medidas mais precisas de intervalos de tempo, mas tentativas para juntar o conceito do GMT, baseado no movimento da terra, e esta nova definição provou ser altamente insatisfatória.

19. Uma medida do tempo Escalas mundiais de tempo Em 1840 o tempo padrão de Greenwich foi estabelecido para toda a Inglaterra, Escócia, e Gales e substituiu vários sistemas de hora local. O Observatório de Greenwich era o foco deste desenvolvimento porque tinha representado um papel chave na navegação que é baseada no tempo preciso. O GMT (Greenwich Mean Time) subseqüentemente evoluiu como a referência de tempo oficial para o mundo e serviu a este propósito até 1972. Os Estados Unidos criaram o Observatório Naval norte-americano (USNO) em 1830 para cooperar com o observatório de Greenwich e outros observatórios mundiais para determinar o tempo baseado em observações astronômicas. O controle do tempo destes observatórios era ainda focado à navegação. O tempo tinha que refletir uma taxa de mudança em relação à rotação da terra; caso contrário os navegantes cometeriam sérios erros. Assim, o USNO foi responsável por fornecer um tempo com base no tempo da terra, e outros serviços, inclusive almanaques, necessários à navegação marítima e aérea. Com o advento dos relógios atômicos altamente precisos, os cientistas e tecnólogos reconheceram a insuficiência do controle do tempo baseado no movimento da terra que flutua a taxas de centenas de segundos ao dia.

20. Uma medida do tempo Escalas mundiais de tempo A redefinição do segundo em 1967 forneceu uma referência excelente para medidas mais precisas de intervalos de tempo, mas tentativas para juntar o conceito do GMT, baseado no movimento da terra, e esta nova definição provou ser altamente insatisfatória. Uma escala de tempo foi inventada em 1 de janeiro de 1972, o Tempo Universal Coordenado (UTC) que ficou efetivado internacionalmente. O UTC corre à taxa dos relógios atômicos, mas quando a diferença entre este tempo atômico e o baseado na terra se aproxima a um segundo, é fito um ajuste de um segundo no UTC. Os sistemas da NIST e outros relógios atômicos estão localizados agora em mais de 25 países que contribuem com dados para o UTC internacional coordenado em Paris pela Agência Internacional de Pesos e Medidas (BIPM). Uma evolução na responsabilidade do controle do tempo nos observatórios do mundo e laboratórios padrões de medida acompanharam esta mudança natural entre o tempo da terra para o tempo atômico.

21. Uma medida do tempo As zonas de tempo mundiais As Zonas de Tempo não se faziam necessárias nos Estados Unidos até que os trens tornaram possível viajar centenas de milhas em um dia. Até 1860's a maioria das cidades confiava no seu próprio tempo local, mas este tempo era mudado por aproximadamente um minuto para todo 12 1 / 2 milhas viajadas para o leste ou oeste. O problema de manter o rastro de mais de 300 tempos locais foi superado ao se estabelecer às zonas de tempo das vias férreas. Até 1883 a maioria das companhias de estrada de ferro confiaram em umas 100 diferentes, mas consistente, zonas de tempo. Naquele ano, os Estados Unidos foi dividido em zonas de quatro tempos centralizados nos meridianos de 75º, 90º, 105º, e 120º. Ao meio-dia, 18 de novembro de 1883, as linhas de telégrafo transmitiram a cronometragem GMT para as cidades principais onde autoridades ajustaram seus relógios para o tempo formal da sua zona. Em 1 de novembro de 1884, a Conferência Meridiana Internacional em Washington, DC, aplicou o mesmo procedimento para as zonas ao redor do mundo. Os 24 meridianos padrões, todo 15° leste e oeste de 0° de Greenwich, Inglaterra, foram designado como os centros das zonas. A linha do tempo internacional foi traçada para geralmente seguir o meridiano de 180° no Oceano de Pacífico. Alguns países, ilhas e estados não querem ser divididos em várias zonas, os limites das zonas tendem a vagar diretamente sobre as linhas norte-sul.