Virpesių dažnių svarba laikrodžiuose

Moteriško ar vyriško laikrodžio tiksėjimas yra signalas, kuris svyruoja tarp teigiamų ir neigiamų reikšmių. Šio svyravimo greitis, vadinamas jo dažniu, yra svarbus veiksnys matuojant laiką laikrodžiu. Osciliatorius yra bet koks prietaisas, kuris juda pirmyn ir atgal tarp dviejų skirtingų būsenų arba taškų. Įprastas osciliatoriaus pavyzdys yra seno sieninio laikrodžio švytuoklė. Kai osciliatoriaus išėjimas keičiasi iš vienos būsenos į kitą, jis sukuria bangos formą, turinčią viršūnes ir nuolydžius, vadinamą "svyruojančiu signalu". Dažnio skaitiklis matuoja šių signalų dažnius. Laikrodžiuose mus domina, kaip greitai signalas pereina iš aukšto į žemą lygį ir atvirkščiai - tai vadinama jo dažniu arba periodu.

Virpesių dažnio svarba

Dažnis - tai skaičius kartų, kai kas nors įvyksta per tam tikrą laiko tarpą. Kai matuojame laikrodžio dažnį, skaičiuojame, kiek kartų švytuoklė pasvyra per minutę, valandą ar dieną. Sakome, kad laikrodžio dažnis yra 8 kartai per sekundę, 4 kartai per minutę arba 1 kartas per valandą. Tai gali skambėti kaip keistoki vienetai, tačiau dažnis yra labai svarbus fizikinis matas. Laikrodžio svyravimų dažnis yra svarbus veiksnys matuojant laiką laikrodžiu. Šiuolaikinių laikrodžių mechanizmų svyravimų dažnis svyruoja maždaug nuo 5 Hz iki 32 768 Hz, o kvarco kristalų mechanizmų ir skaitmeninių (baterijomis maitinamų) mechanizmų svyravimų dažnis yra didžiausias. 
Taip pat skaitykite tinklaraščio įrašus: apie mechaninių laikrodžių mechanizmus čia ir apie kvarcinių laikrodžių mechanizmus čia.

Kas yra rezonansas?

Rezonansas yra reiškinys, kai osciliatorius arba osciliatorių sistema virpa didžiausia amplitude, kai varantysis dažnis yra tikslus natūraliojo osciliatoriaus dažnio kartotinis. Tai reiškia, kad šie du dažniai yra matematiškai susiję vienas su kitu. Kai varantysis dažnis yra artimas natūraliajam dažniui, bet nėra tikslus jo kartotinis, osciliatoriaus amplitudė didėja, kol pasiekia didžiausią amplitudę. Šiame taške amplitudė išlieka pastovi, nors varantysis dažnis didinamas toliau. Tokia situacija vadinama rezonansu. Terminas "rezonansas" kilęs iš lotynų kalbos žodžio "resonare" ("skambėti"). Rezonansas yra labai svarbus reiškinys daugelyje fizikos sričių. Jis dažnai naudojamas kaip būdas pagerinti muzikos instrumentų skambesį arba padidinti šviesos šaltinio ryškumą. Jis taip pat naudojamas radioteleskopuose, kad būtų galima įžiūrėti tolimas žvaigždes ir planetas.

Laikrodžių mechanizmų tipai pagal svyravimų dažnį

Laikrodžio mechanizmo svyravimų dažnį lemia švytuoklės ilgis arba kitų švytuoklę pakeičiančių laikrodžio mechanizmo dalių ilgis ir masė. Daugumos švytuoklinių laikrodžių svyravimų dažnis yra apie 1 Hz (1 kartas per sekundę). Pavyzdžiui, sieninio laikrodžio su 2 metrų ilgio švytuokle svyravimų dažnis yra 1 Hz. Sieninių ir mantinių laikrodžių su švytuokle svyravimų dažnis yra didesnis nei 1 Hz. Kadangi švytuoklinių laikrodžių svyravimų dažnis yra palyginti mažas, sekundes galima lengvai suskaičiuoti. Pavyzdžiui, sieninio laikrodžio sekundinė rodyklė per minutę pasvyra maždaug 15 kartų, todėl sekundes skaičiuoti lengva. Daugelio kitų laikrodžių svyravimų dažnis yra didesnis nei 1 Hz. Pavyzdžiui, pusiausvyros ratuko laikrodžio svyravimų dažnis yra apie 25 Hz, o skaitmeninio kvarco kristalų laikrodžio - apie 32 768 Hz. Kuo didesnis laikrodžio virpesių dažnis, tuo tolygesnis sekundinės rodyklės judėjimas.

Taip pat, čia rasite informacijos apie laikrodžio švytuoklės atsiradimo istoriją.
 

Kvarco kristalų laikrodžiai

Kvarco kristalų laikrodžiuose kaip laiko elementas naudojamas pjezoelektrinis kvarco kristalas. Kvarco kristalui būdinga savybė (vadinama pjezoelektriniu efektu), kad, veikiant išoriniam elektriniam laukui (kristalą veikiant elektros srove), jis sukuria priešingos krypties elektrinį lauką. Kvarco kristalų osciliatorius generuoja įtampos signalą, kurio dažnį lemia kristalo matmenys. Kvarco kristalų laikrodyje šio įtampos signalo dažnis yra apie 32 768 Hz. Kvarco kristalų laikrodis yra tikslus, nes kristalas rezonuoja tuo pačiu dažniu, nepriklausomai nuo temperatūros pokyčių.
Daugiau apie kvarcinius laikrodžius skaitykite čia.

Mechaniniai švytuokliniai laikrodžiai

Mechaninių švytuoklinių laikrodžių svyravimų dažnį lemia švytuoklės ilgis ir sunkio jėga. Ilgesnė švytuoklė svyruos lėčiau nei trumpa švytuoklė. Švytuoklės periodas - tai laikas, per kurį švytuoklė atlieka vieną pilną ciklą. Svyravimų dažnis - tai skaičius kartų, kuriuos švytuoklė atlieka vieną pilną ciklą per vieną sekundę. Kadangi švytuoklės svyravimų dažnį lemia jos ilgis ir sunkio jėga, švytuoklinio laikrodžio svyravimų dažnio pakeisti neįmanoma.

Mechaniniai laikrodžiai su rotoriais

Mechaninis laikrodis su rotoriumi (arba karuselė) - tai laikrodis su mechanizmu, kuris vieną kartą per minutę pasuka diską, ir mechanizmu, kuris vieną kartą per minutę paleidžia krintantį svorį. Tokio laikrodžio svyravimų dažnis yra mažas, apie 1 Hz. Krintantis svoris suka mechanizmą, kuris pasuka diską vieną kartą per minutę. Šis suka mechanizmą, kuris kartą per minutę pakelia dantytąjį ratą. Dantytasis ratas pakelia svirtį, kuri kartą per minutę atleidžia krintantį svorį. Mažą mechaninio laikrodžio su rotoriumi svyravimų dažnį kompensuoja itin ilga svirtis, kuri pakelia krintantį svorį.

Daugiau apie tai kas yra laikrodžio rotorius ir kuo jis svarbus skaitykite čia.

Pagrindinės išvados

Švytuoklinio laikrodžio svyravimų dažnį lemia švytuoklės ilgis ir veikianti varomoji jėga. Ilga švytuoklė su didele varomąja jėga sukuria maždaug 1 Hz svyravimų dažnį. Trumpos švytuoklės su maža varomąja jėga svyravimų dažnis yra apie 10 Hz. Laikrodžio su balansiniu ratuku svyravimų dažnis yra apie 25 Hz, o skaitmeninio kvarco kristalų laikrodžio - apie 32 768 Hz. Kuo didesnis laikrodžio svyravimų dažnis, tuo tolygiau juda sekundinė rodyklė. Kvarcinio kristalo laikrodyje kaip laiko elementas naudojamas pjezoelektrinis kvarcinis kristalas. Kvarco kristalui būdinga savybė, kad, veikiamas išorinio elektrinio lauko, jis sukuria priešingos krypties elektrinį lauką. Kvarcinio kristalo osciliatorius generuoja įtampos signalą, kurio dažnį lemia kristalo matmenys.