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LABORATORIO CIENTÍFICO INFANTIL
Reloj de cuarzo. Laboratorio de ciencias para niños
Directorio / Laboratorio de ciencias para niños ¿Qué hora es? Estamos acostumbrados a encontrar la respuesta a esta pregunta mirando el reloj; manual, bolsillo, escritorio, pared, calle, torre. Puede consultar la hora por teléfono y radio. Las estaciones de radiodifusión de la Unión Soviética transmiten señales horarias precisas cuatro veces al día. ¿Cómo llevaban la cuenta del tiempo nuestros antepasados? Hace cinco mil años, la gente usaba el Reloj Solar para esto: un poste común, instalado verticalmente y que proyectaba una sombra de diferentes longitudes y direcciones en diferentes momentos del día. Posteriormente, se midió el tiempo utilizando agua y relojes de arena. La precisión de estos instrumentos primitivos era, por supuesto, muy aproximada. En el siglo XI dC, la invención de los relojes mecánicos de torre se remonta, y quinientos años después, aparecieron los primeros relojes de resorte. Sin embargo, no diferían en gran precisión, ya que el controlador de velocidad, el equilibrador, fluctuaba de manera desigual con ellos. Esta deficiencia se eliminó cuando se descubrió la propiedad de un péndulo suspendido libremente de mantener constante el período de sus oscilaciones. Al conectar el péndulo con el mecanismo de relojería, obtuvimos un dispositivo para medir el tiempo con suficiente precisión. La continua mejora constructiva de los relojes de péndulo los ha convertido en un medidor de tiempo fiable. Consumidores exigentes Pero la ciencia y la tecnología no se detienen. Simultáneamente con su desarrollo, aumentaron los requisitos para la precisión de la determinación del tiempo. Preciso por una segunda vez dejó de satisfacer a muchos de sus "consumidores". Querían saber el tiempo hasta las centésimas, milésimas, incluso diezmilésimas de segundo. Estos no eran solo astrónomos que estudiaban el movimiento de los cuerpos celestes. Los navegantes de barcos y aeronaves requerían la hora más precisa para la correcta orientación en el mar y en el aire, los topógrafos y topógrafos que inspeccionaban la zona. Para establecer dónde se encuentran en el globo, tuvieron que determinar la latitud geográfica, la distancia desde el ecuador, y la longitud, el ángulo entre el plano del meridiano de un lugar determinado y el plano del meridiano cero. Para determinar correctamente la longitud, es necesario conocer la hora local y la hora del meridiano cero con la máxima precisión, ya que la longitud se calcula a partir de la diferencia entre estos dos valores. Que se determine por las estrellas que son 23 horas 30 minutos en un momento dado en un lugar dado. El reloj, ajustado a la hora del meridiano cero y controlado por radio, marca 21 horas 30 minutos. La diferencia es de dos horas. Se sabe que la Tierra por día hace una revolución de oeste a este alrededor de su eje, es decir, gira 360 ° y en una hora, 360:24 = 15 °. En dos horas dará un giro de 30°. Por lo tanto, el observador está a 30° de longitud este. La hora exacta también debe ser conocida por los geólogos y gravimetristas que estudian los cambios de gravedad en varios puntos de la superficie terrestre, lo cual es de gran importancia para la exploración de minerales. Reloj celestial ¿Cómo se determina el tiempo exacto que juega un papel tan importante en la vida de las personas? ¿Con qué relojes ultraprecisos comparan los científicos sus relojes? Estos maravillosos relojes son creados por la propia naturaleza. Su esfera es el cielo nocturno, y los números de horas, minutos y segundos son las estrellas. Con estricta constancia siguen su camino eterno en el firmamento. Invariablemente, en el momento preciso fijado por los astrónomos, cada estrella alcanza su posición más alta y cruza el meridiano celeste. Basta captar este momento para encontrar el momento perfecto. Para hacer frente a esta tarea, los astrónomos cuentan con la ayuda de la "manecilla" del reloj celeste, un tubo astronómico especial llamado instrumento de tránsito. Girando simultáneamente con la Tierra, el instrumento de tránsito siempre se dirige a lo largo del meridiano, indicado en el campo de visión del instrumento por un hilo vertical delgado. Al observar el paso de una estrella a través de este filamento, el astrónomo calcula cuánto debe corregir su reloj. Cada noche, astrónomos de todos los observatorios del mundo se sientan a los instrumentos de paso. Pero el clima no siempre es propicio para las observaciones. Necesitan un cielo despejado y, por ejemplo, en Moscú solo hay alrededor de 90 noches sin nubes al año, en la soleada Tashkent, alrededor de 250. A menudo, el cielo está cubierto de nubes durante todo un mes seguido y, a veces, incluso más. Era necesario encontrar una manera de establecer la hora exacta durante estas pausas forzadas de una observación astronómica a otra. Así que había un problema de "almacenamiento" de tiempo. La resolución de este complejo problema se vio facilitada por la creación de relojes astronómicos de alta precisión. dos péndulos La parte principal y más importante del reloj astronómico es el péndulo. Está vacío. Después de todo, la principal ventaja del reloj radica en la uniformidad y constancia de su marcha. Pero el reloj puede funcionar uniformemente solo si la longitud del péndulo siempre permanece estrictamente constante y la amplitud de sus oscilaciones no cambia. ¿Qué puede influir en estos valores? En primer lugar, los cambios en la temperatura y la presión del aire. De ello se deduce que el péndulo debe estar hecho de un material que se vea menos afectado por los cambios de temperatura. Invar resultó ser un material de este tipo: una aleación que consta de 36% de níquel y 64% de acero y tiene un coeficiente de expansión lineal de 10 a 12 veces menor que el acero. Se hizo un péndulo de Invar. Los diseñadores de relojes astronómicos también tomaron otras precauciones. Colocaron el reloj en el sótano, donde la temperatura cambia poco, y lo encerraron en un cilindro de cobre sellado herméticamente con una tapa de vidrio. El aire se bombea casi por completo fuera del cilindro y la presión atmosférica en él se mantiene constantemente dentro del rango de 20-25 mm de mercurio. El reloj se instaló sobre una base especial aislada del edificio. Por tanto, son poco sensibles a las vibraciones del edificio en el que se encuentran. También se ocuparon de liberar el péndulo de cualquier carga mecánica, incluso la más mínima. Esta es la idea principal de los relojes astronómicos de alta precisión. El péndulo de oscilación libre, que hemos descrito, no está conectado con ningún mecanismo de transmisión e indicación del tiempo. Se llama un péndulo "libre". Su misión es limitada. Solo mide el tiempo, y todo el trabajo mecánico "negro" se asigna a otro péndulo auxiliar. El péndulo libre recibe impulsos oscilantes cada 30 segundos. Se le envían por hilos mediante un péndulo auxiliar. Con la ayuda de dispositivos eléctricos especiales, el péndulo libre, por así decirlo, comanda el péndulo auxiliar, obligándolo a oscilar estrictamente sincrónicamente consigo mismo. El péndulo auxiliar opera un mecanismo de transmisión que mueve las manecillas en el dial. Este segundo reloj, conectado por cables eléctricos al primero, se puede instalar en cualquier lugar, a cualquier distancia del péndulo principal, el verdadero guardián del tiempo. Todos los observatorios astronómicos e institutos metrológicos del mundo ahora usan relojes con dos péndulos en su trabajo. La precisión de tales relojes es extremadamente alta: su curso, una vez ajustado, varía de un día a otro en no más de 0,003 segundos. Tal precisión parece fabulosa, sin embargo, no es suficiente para la ciencia moderna, pues un error de incluso unas milésimas de segundo impide el estudio de ciertos fenómenos que son de interés para astrónomos, metrólogos y geofísicos. Propiedad milagrosa de los cristales. ¿Dónde buscar una salida? La mecánica parecía haber agotado todas sus posibilidades y llegado al límite: parecía impensable seguir mejorando el reloj de péndulo. Y luego los electricistas y los ingenieros de radio se dedicaron al diseño de relojes astronómicos. El péndulo ha sobrevivido a su tiempo, argumentaron. Incluso colocado en condiciones ideales, el péndulo no puede satisfacer las crecientes demandas de los científicos. Esto significa que es necesario reemplazarlo por otro regulador que proporcione oscilaciones de frecuencia constante. En busca de tal regulador, recordaron el cuarzo. Cristal de cuarzo y sus ejes.
En 1880 se descubrió una propiedad notable de algunos cristales, más pronunciada en el cuarzo. El cuarzo se encuentra generalmente en forma de cristales hexaédricos con extremos piramidales puntiagudos (Fig. 1a). La línea zz representa el eje óptico del cristal. Si el cristal se corta transversalmente, perpendicularmente al eje óptico, se obtiene un hexágono, cuyos ángulos son todos iguales a 120° (Fig. 1b). Las líneas xx, x1x1 X2X2 que pasan por las bisectrices de estos ángulos indican los ejes eléctricos, las líneas yy, Y1Y1, Y2Y2, los ejes mecánicos del cristal. Resultó que si se corta una placa de un cristal de cuarzo, cuyas superficies son perpendiculares a uno de sus ejes eléctricos, cuando la placa se comprime o estira mecánicamente, surgen cargas eléctricas en sus superficies. Este fenómeno se denomina efecto piezoeléctrico directo (la antigua palabra griega "piezo" significa: presiono, aprieto). El efecto piezoeléctrico inverso se expresa en la deformación de una placa de cuarzo colocada en un campo eléctrico. Los radioaficionados de onda corta conocen muy bien esta propiedad del cuarzo. Saben que la placa de cuarzo tiene la capacidad de mantener constante la frecuencia del oscilador. Los estabilizadores de cuarzo son ampliamente utilizados en estaciones de radio. Fue esta capacidad estabilizadora del cuarzo la que los creadores del nuevo cronometrador decidieron utilizar. Reloj de cuarzo Los diseñadores de relojes de cuarzo cortan una barra rectangular de un cristal con una sección de 7x7 mm y una longitud de unos 60 mm. En dos superficies opuestas de la barra, aplicaron la capa más delgada de oro. El resultado fue un capacitor, cuyo dieléctrico es una barra, y las placas son dos capas de metal. El propósito de este dispositivo en los relojes de cuarzo es el mismo que el del péndulo en los relojes ordinarios: es un regulador. Y un regulador en el que puede confiar completamente. Cristal de cuarzo en el circuito de ajuste de frecuencia de un triodo.
Luego, el cuarzo se incluyó en el circuito del generador de lámparas. El cristal se colocó en un circuito rejilla - lámpara generadora de cátodo - triodo (Fig. 2). En paralelo, se instaló una gran resistencia. Se incluyó un circuito oscilante que consta de un inductor y un condensador en el circuito de ánodo del circuito. Esto es necesario para que, debido a la conexión a través de la capacitancia del ánodo - rejilla de la lámpara, se creen condiciones para mantener oscilaciones no amortiguadas. El circuito se ajustó para que su frecuencia natural fuera mayor que la frecuencia de oscilación de la barra de cuarzo. Este es, en términos generales, el dispositivo de un oscilador de cuarzo, la parte principal de un reloj de cuarzo. Su precisión depende directamente de la estabilidad de la frecuencia del oscilador. La constancia de las oscilaciones naturales del cuarzo es muy alta. No se ve afectado ni por los cambios en la fuerza de la gravedad ni por las vibraciones sísmicas de la corteza terrestre. Sin embargo, es sensible a las fluctuaciones de temperatura y presión atmosférica. Para mantener constante la temperatura del cuarzo, los diseñadores tomaron medidas especiales. Colocaron el oscilador de cristal en un termostato con paredes de varias capas, dentro del cual se mantiene una temperatura constante con una precisión de una centésima de grado. Esta constancia de temperatura se logra mediante el calentamiento eléctrico del termostato controlado por un termómetro de contacto de mercurio. Esto asegura que la frecuencia se almacene con una precisión de alrededor de 1*10-8. El propio cuarzo estaba encerrado en un recipiente hermético en el que se creaba un vacío. Oscilador de cuarzo con divisores de frecuencia
Los diseñadores mecanizaron un bloque de tal forma y tamaño a partir de un cristal de cuarzo que su frecuencia natural era de 100 kHz. Pero la corriente de esta frecuencia no es adecuada para la rotación del motor que pone en marcha el mecanismo de relojería. Tuve que crear una serie de dispositivos intermedios que se muestran en el diagrama de bloques (Fig. 3). Aquí, la electrónica ayudó mucho a los diseñadores. Varios circuitos de generadores electrónicos tienen la capacidad de sincronizarse con la frecuencia de otro generador si es un múltiplo del número de veces mayor o menor que la frecuencia natural del generador sincronizado, o lo suficientemente cerca de dicho valor múltiple. Los diseñadores de relojes de cuarzo aprovecharon la capacidad de circuitos como el multivibrador o el oscilador de bloqueo para sincronizarse con frecuencias más altas que las propias. Tal oscilador sincronizado de mayor frecuencia se conoce comúnmente como divisor de frecuencia. La frecuencia de corriente más alta que puede impulsar un motor síncrono es de aproximadamente 1000 Hz. Sin embargo, un divisor de frecuencia con una relación de división de 1:100 es muy inestable. Por lo tanto, para obtener una frecuencia de 1000 Hz, sincronizada con una frecuencia de cuarzo de 100 kHz, fue necesario instalar una serie de divisores con relaciones de 1:4 y 1:5, sincronizándose entre sí en serie. Los generadores utilizados como divisores de frecuencia tienen un gran número de armónicos. Era necesario evitar la penetración de oscilaciones dañinas de alta frecuencia en el circuito del oscilador de cristal, donde podrían provocar el deterioro de la estabilidad. Para evitar que esto sucediera, se conectó un amplificador de búfer entre el oscilador de cuarzo y el primer divisor de frecuencia, que funciona sin corrientes de red. Este modo ayuda a reducir la carga del oscilador de cristal y aumenta la estabilidad de su funcionamiento. En los circuitos divisores de frecuencia se suelen utilizar lámparas de baja potencia. La corriente que proporcionan es demasiado débil para hacer girar el motor síncrono que impulsa el reloj de contacto de los segundos. Por lo tanto, después del divisor de frecuencia (dando una corriente con una frecuencia de 1000 Hz), se encendió un amplificador, dando varios vatios de potencia a los devanados del motor. En términos de estabilidad, los relojes de cuarzo son superiores a todos los relojes de péndulo existentes. La fluctuación media diaria de su curso es de dos diezmilésimas de segundo. La creación de relojes ultraprecisos es un logro destacado de la ciencia moderna. Muchas instituciones científicas ya han adquirido relojes de cuarzo. En Moscú, en el Instituto Central de Investigación de Geodesia, Fotografía Aérea y Cartografía, el primer reloj de cuarzo doméstico construido por PS Popov mide incansablemente los segundos. El Instituto de Mediciones de Radio, el Instituto Astronómico Sternberg y otros institutos y observatorios tienen relojes de cuarzo. Los entusiastas de la nueva forma de medir el tiempo afirman que los relojes de cuarzo pronto reemplazarán por completo a los relojes de péndulo y se convertirán en los únicos cronometradores. También hay escépticos que cuestionan tales afirmaciones. Sin negar las evidentes ventajas de los relojes de cuarzo, también señalan sus inconvenientes. Ya hemos hablado de las ventajas de los relojes de cuarzo; esta es su insuperable precisión y constancia, por supuesto, independencia de casi todos los factores externos. ¿Cuáles son sus defectos? Los astrónomos exigen que el reloj que utilizan para medir el tiempo pueda funcionar sin parar durante dos, tres años o más. ¿Cumplen los relojes de cuarzo este requisito? No exactamente. Recordemos que se alimentan con corriente de la red eléctrica. La estación dejará de suministrar corriente y el reloj se detendrá. Pero esto no sucederá si el reloj no se alimenta de la red, sino de las baterías. - Así es, - los escépticos están de acuerdo. - ¿Y el envejecimiento del cuarzo, con el desgaste de los tubos de radio? De hecho, el cuarzo envejece con el tiempo y la frecuencia de sus oscilaciones cambia. No puede garantizar que ninguna lámpara falle repentinamente. Sin embargo, los entusiastas del cuarzo no temen tal accidente. Instalan en sus laboratorios no un reloj, sino tres, trabajando sincrónicamente. No importa si uno de ellos se detiene. Hasta que sean reparados, los otros dos mantendrán el tiempo. La disputa continúa, pero mientras tanto, decenas de relojes de cuarzo sirven regularmente a la ciencia. Hoy, su precisión satisface a los científicos que realizan las investigaciones más delicadas. ¿Y qué pasará mañana? ¿Será posible encontrar un nuevo estándar de tiempo, aún más preciso? Quizás la base de tal estándar sean las moléculas, o más bien, la frecuencia de sus vibraciones. Los científicos soviéticos ya están trabajando en esta dirección. Autor: A. Brodsky
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