navbar.frm 20180310
ATTENTIE. . VAKANTIE ONDERHOUD . . Bijeenkomst op 20 september 2018 . . Elke zondag 145.475 MHz . . 10:30 RTTY bulletin . . 11:00 uur Woerdense Ronde .
W

EEN WANDELING DOOR DE TIJD

Samenvatting

De tijd, een allerdaags begrip. Maar dat was niet altijd zo. Een wandeling door de tijd illustreert de poging om tot een universele definitie van de tijd te komen.

Hemellichamen, zon, maan, planeten en de sterren gaven ons een basis om de tijd te meten. De oude beschavingen vertrouwden op de schijnbare bewegingen van die lichamen langs het uitspansel, om de seizoenen, de maanden en de jaren vast te stellen.

We weten niet veel omtrent de details van tijdrekening in het prehistorische tijdperk. Maar waar we optekeningen en kunstwerken ontdekken, merken we, dat in elke cultuur mensen waren, die zich bezighielden met het meten en noteren van het tijdsverloop.

Jagers gedurende de IJstijd in Europa, meer dan 20.000 jaar geleden, krasten lijnen en kerfden gaten in stokken en beenderen waarschijnlijk om de dagen tussen de maanperiodes te tellen.

Vijfduizend jaar geleden hadden de Sumeriers in de vallei van de Euphraat en de Tigris een kalender, die het jaar verdeelde in maanden van 30 dagen, verdeelden de dag in 12 periodes (gelijk aan twee van onze uren) en deze weer in 30 delen (gelijk aan 4 van onze minuten).

Oude kalender
Omtrent Stonehenge, in Engeland, 4000 jaar geleden gebouwd, hebben we geen gegevens, maar uit de opbouw blijkt het doel van de vaststelling van seizoenen of gebeurtenissen in het uitspansel, zoals maansverduisteringen, zonnewende etc.

De eerste Egyptische kalender was gebaseerd op de maan periodes. Maar later ontdekten de Egyptenaren dat de 'Hondster' in de 'Grote Hond', Sirius, elke 365 dagen naast de Zon opkwam, ongeveer tijdens het begin de jaarlijkse overstroming van de Nijl.

Gebaseerd op deze kennis verdeelden ze de kalender in 365 dagen, hetgeen waarschijnlijk in 4236 v.C begonnen is.

Voor 2000 v.C gebruikten de Bayloniers (Irak) een jaar met 12 maanden, afwisselend met 29 en 30 dagen, dus 354 dagen.

Daarentegen gebruikten de Maya's in Midden Amerika niet alleen de zon en maan, maar ook de planeet Venus, om tot 365 dagen te komen. Deze cultuur en verwante voorgangers, verspreid over Midden-Amerika, tussen 2600 v.C en 1500 n.C bereikte het hoogtepunt tussen 250 en 900 n.C. De door hun nagelaten hemelcycli duiden op hun geloof, dat de schepping in 3114 v.C plaatsvond. Hun kalenders maakten deel uit van de grote kalenderstenen van de Azteken.

Onze huidige beschaving heeft een zonnekalender van 365 dagen, met om de vier jaar een schrikkeljaar (uitgezonderd eeuwjaren, die niet deelbaar zijn door 400).

VROEGE KLOKKEN

Voor zover wij weten begonnen 5000 tot 6000 jaar geleden grote beschavingen in het Midden-Oosten en Noord-Afrika klokken te maken om hun kalenders uit te breiden. Met hun bureaucratie, formele religies en andere burgerlijke sociale activiteiten vonden deze culturen het kennelijk nodig hun tijd efficienter te organiseren.

ZONNEKLOK

Obelisk als klok De Sumerische cultuur had hun kennis niet verder uitgebreid, maar de Egyptenaren waren blijkbaar de volgende om hun dagen te verdelen in delen die lijken op onze uren.

Obelisken (slanke, spits toelopende vierkante monumenten) werden al rond 3500 v.C gebouwd. Hun bewegende schaduwen vormden een soort zonnewijzer, waardoor men de dag van de ochtend tot de avond kon verdelen. De obelisken toonden ook de langste en kortste dag van het jaar, wanneer de schaduw op het middaguur het langst of het kortst was. Later werden merktekens rond de obelisk aangebracht voor een verdere tijdverdeling.

Een andere Egyptische schaduw klok of zonnewijzer, misschien het eerste draagbare uurwerk, kwam rond 1500 v.C in gebruik. Dit toestel verdeelde een zonverlichte dag in tien delen, plus twee 'schemer-uren', in de ochtend en de avond. Als een lange staaf met vijf verschillende tussenruimtelijke merkpunten 's morgens oost-west gericht werd, werpt een opgeheven dwarslat een bewegende schaduw op de merktekens. Op het middaguur werd het toestel in tegenovergestelde richting gezet om de 'namiddaguren' te meten.

Merkhet De Merkhet, het oudst bekende astronomische gereedschap, was een Egyptische ontwikkeling rond 60 v.C. Een merkhets-paar werd gebruikt om een noord-zuid lijn (meridiaan) in lijn te brengen met de Poolster. Zodoende konden de nachttijden vastgesteld worden wanneer bepaalde sterren de meridiaan passeerden.

In het zoeken naar meer nauwkeurigheid over het hele jaar, veranderden de zonnewijzers van platte horizontale of vertikale platen naar meer ingewikkelde vormen. Rond 300 v.C was er een halvebolvormige zonnewijzer, uitgehakt in een steenblok, waarin een vertikale stift en voorzien van uurlijnen voor verschillende seizoenen. In 30 v.C kon Vitruvius dertien verschillende zonnewijzer stijlen in Griekenland, Klein-Azie en Italie beschrijven.

ELEMENTEN VAN EEN KLOK

Voor we verder gaan met de evolutie van wijze waarop de tijdmeting plaatsvond, moeten we eerst vaststellen waaruit een klok bestaat. Alle klokken hebben twee basis componenten:
  • 1. Een regelmatig, constant of herhaaldelijk proces of actie, om het tijdsverloop te markeren. Voorbeelden zijn de zon, die langs het firmament beweegt, kaarsen met merktekens, olielampen met inhoudsmarkering, zandlopers, en in de Orient, smalle kokers met wierook stokjes met merktekens. Moderne klokken gebruiken balanswielen, slingers, trillende kristallen of elektromagnetische golven, gestuurd door atomaire activiteit.
  • 2. Een manier om het resultaat van de tijdmeting weer te geven.

WATERKLOKKEN

Deze klokken werden door de vroege tijdwaarnemers, die niet afhankelijk waren van waarnemingen van hemellichamen gebruikt. Een van de oudste is gevonden in de graftombe van de Egyptische Pharao Amenhotep I, rond 1500 v.C begraven.

Later, bij de Grieken, rond 325 v.C, de 'clepsydras', (waterdieven), stenen vaten met een klein gaatje in de bodem, waardoor een, met bijna gelijke tussenpozen, water druppelde.

Waterklok Andere clepsydras waren cilinder- of komvormige vaten, waarin water met een vaste regelmaat druppelde. Merktekens in de vaten gaven dan bij het wateroppervlak de uren aan. Deze klokken werden gebruikt om de nachtelijke uren aan te wijzen, maar werden ook wel overdag gebruikt.

Een andere versie bestond uit een metalen kom met een gaatje in de bodem, geplaatst in een ander vat met water, waardoor er langzaam water in de metalen kom vloeide en in een bepaalde tijd zonk.

Tussen 100 v.C en 500 n.C werden door Griekse en Romeinse uurwerkmakers en astronomen ingewikkeldere en indrukwekkende mechanische waterklokken ontwikkeld. De toegevoegde elementen waren bedoeld om een zo gelijkmatig mogelijke waterstroom te krijgen, door de druk te regelen, en om een gemakkelijke aflezing van het tijdsverloop te realiseren. Sommige waterklokken lieten bellen rinkelen of gongen slaan, andere openden deuren en ramen, waarin poppen, of wijzers en astronomische symbolen vertoond werden.

In de eerste helft van de eerste eeuw had een Macedonische astronoom, Andronikos, de leiding over de constructie van zijn 'Horologion', bekend als de 'Windtoren', op de marktplaats van Athene. Dit achthoekige bouwsel toonde aan studenten en winkeliers zowel zonnewijzers als mechanische uuraanwijzingen. Het vertoonde een 24-uurs clepsydra en een aanwijzer voor de acht windrichtingen, waaraan de toren zijn naam dankt. Het gaf ook de jaartijden aan en de astrologische data- en periodes.

In het Verre Oosten werden tussen 200 en 1300 n.C gemechaniseerde astronomisch/astrologische klokken gemaakt. In de derde eeuw toonden verschillende Chinese mechanische clepsydras astronomische verschijnselen.

Su Sung waterklok Een van de meest ingewikkelde kloktorens werd door Su Sung en zijn collega's gebouwd in 1088 n.C. De Su Sung kloktoren had een door water aangedreven eccapement, uitgevonden in 725 n.C. De Su Sung kloktoren, meer dan 9 meter hoog, had een bronzen, uit ringen bestaande hemelglobe voor waarnemingen, een automatisch draaiende aardglobe, vijf frontpanelen met deuren, om binnen te kijken naar de poppetjes die de bellen of de gong bedienden, en om de tabellen te bekijken, die de uren of andere tijstippen van de dag weergaven.

Aangezien het tijdmeten met deze watermethodes nooit een juiste tijdaanduiding kan geven, was men genoodzaakt naar andere oplossingen te zoeken.


De revolutie in de tijdmeting

In Europa waren er in de Middeleeuwen (500 - 1500 n.C) praktisch geen technologische ontwikkelingen. In die tijd waren eenvoudige zonnewijzers boven deuropeningen geplaatst om het middaguur en belangrijke tijden aan te duiden. In de 10-de eeuw werden verschillende soorten zak-zonnewijzers gebruikt. Een Engels model was zelfs aangepast voor de seizoenswisselingen van de zonnestand.

De mechanische klokken

Horologium oscillatorium, uitgevonden door Christiaan Huygens Dan, in de eerste helft van de 14-de eeuw, beginnen grote mechanische klokken te verschijnen in torens van verschillende Italiaanse steden. We hebben geen bewijs of beschrijving van de werking van deze klokken, die met gewichten werden aangedreven en geregeld werden door een spil/anker eschappement. Variaties op dit systeem bestonden al 300 jaar, maar hadden allemaal het zelfde probleem: de schommelings perioden van het eschappement hingen teveel af van de aandrijfkracht en wrijving in de apparatuur. Vooral ook het vochtgehalte in de torens.

Een grote verbetering was de uitvinding van Peter Henlein te Neurenberg, tussen 1500 en 1510 van klokken die door een veer werden aangedreven. Hierdoor konden klokken veel kleiner gemaakt worden, en zelfs in zakformaat. Hoewel ze langzamer liepen naar- mate de veer afliep, waren ze populair bij welgestelde lieden en konden op tafel gezet worden, of opgehangen aan de muur. Deze vooruitgang was de aanzet naar een meer accurate tijdmeting.

Een Nederlandse tandarts, Christiaan Huygens, maakte in 1656 de eerste penduleklok, gereguleerd door een mechanisme met een 'natuurlijke' slingerperiode. (Galileo Galilei was al in 1582 de uitvinder van het pendule-klok ontwerp met zijn studie omtrent de 'pendulum'. Hij maakte zelfs een schets voor een penduleklok, maar maakte er nooit een.) Huygens' eerste penduleklok had een afwijking van 1 minuut per dag, later bracht hij het terug tot 10 seconde per dag. Rond 1675 ontwikkelde Huygens het balanswiel en een veer-samenstelling, zoals nu nog gebruikt in polshorloges. Die draagbare horloges in de 17-de eeuw moest men elke tien minuten opwinden.

In Londen begon William Clement in 1671 zijn klokken te maken met een nieuw 'anker' of 'terugstoot' eschappement.

In 1721 verbeterde George Graham de nauwkeurigheid van de pendule door de lengte van de slinger aan te passen aan temperatuur variaties.

John Harrison's zeewaardige chronometer John Harrison, een timmerman en 'selfmade' klokkemaker, verfijnde Graham's compensatie techniek, en ontwikkelde nieuwe methodes om wrijving te reduceren. In 1761 maakte hij een chronometer voor de zeevaart met een veer en balans echappement, waarmee hij een hoge geldprijs won. Tijdens een reis naar Wets-Indie was deze klok zelfs bij heftige zeegang, nauwkeurig tot een vijfde seconde per dag en daardoor ook een maximale af- wijking op de lengtegraad van een halve graad.


precisie regulator van Siegmund Riefler

 
 
  In de volgende eeuw, 1889, maakte Siegmund Riefler een klok met een 'bijna-vrije-slinger', die een nauwkeurigheid had van een honderdste seconde per dag en werd de standaard voor veel astronomische observatoria. Een werkelijk vrije slinger pricipe werd ge-introduceerd door R.J.Rudd rond 1898, waardoor hij de ontwikkeling van verschillende vrije slinger klokken stimuleerde.


W.H.Shortt klok, de mechanische astronomische standaard
 
 
  Een van de meest beroemde, de W.H.Shortt klok, werd in 1921 gedemonstreerd. Deze verving meteen Riefler's klok in veel astronomische observatoria. De klok had twee slingers, een slaaf en een meester. De slaafslinger gaf de meesterslinger zachte tikjes aan de meesterslinger om hem in beweging te houden en ook om de wijzers aan te drijven. Zodoende bleef de meesterslinger vrij van mechanische taken die zijn regelmaat zouden kunnen ver- storen.


Kwartsklokken

De prestaties van de Shortt klok werden ingehaald door de ontwikkeling van kwartskristal-oscillators en -klokken sinds 1920. Hierdoor werd de nauwkeurigheid ver verheven boven die van de slinger- en balanswielen systemen.

De werking van kwartsklokken berust op de piezo-elektrische eigenschappen van kwartskristallen. Als men een elektrisch veld aanlegt aan het kristal, verandert het zijn vorm, en als men het indrukt of verbuigt, wekt het een elektrisch veld op. In een daartoe geschikte electronische schakeling geplaatst, zal de wisselwerking tussen mechanische druk en elektrisch veld het kristal doen trillen en een elektrisch signaal van betrekkelijk constante frequentie opwekken, die zodoende gebruikt kan worden voor een elektronische tijdsaanduiding.

Kwarts klokken zijn beter, want zij hebben geen bewegende delen die de frequentie kunnen verstoren. Maar toch, ze zijn nog af- hankelijk van mechanische trillingen, die in de buurt van hun frequentie liggen en van temperatuur. En er zijn geen kristallen die precies dezelfde frequentie hebben.

Maar de nauwkeurigheid van de kwartsklokken wordt aanzienlijk overtroffen door de atoomklokken.

De 'Atoom Eeuw' van tijdstandaards

Wetenschappers waren zich al lang bewust van het feit dat atomen (en moleculen) resonanties hebben; elk chemisch element en samenstellingen absorberen elektromagnetische straling en zenden dit uit op hun eigen karakteristieke frequenties. Deze resonanties zijn absoluut stabiel in tijd en ruimte. Een waterstof- of cesiumatoom is (zover we weten) exact gelijk met die van een miljoen jaar geleden of in een ander melkwegstelsel. Zulke atomen vormen een potentiele 'pendulum' die een basis is voor zeer nauwkeurige klokken.

Eerste laboratorium Cesium standaard
De ontwikkeling van radar en extreem hoogfrequente radio communicaties in de 30- en 40-er jaren maakten de opwekking van microgolven mogelijk die nodig is voor wisselwerking met atomen.

Het onderzoek om een atoomklok te ontwikkelen begon eerst met microgolf resonanties in het ammoniakmolecuul. In 1949 maakte NIST de eerste atoomklok gebaseerd op ammoniak. Maar zijn prestaties waren niet veel beter dan de bestaande standaards en de aandacht ging bijna meteen naar het cesiumatoom.

De eerste practische cesiumatoom frequentie standaard werd in 1955 gemaakt in het National Physical Laboratory in Engeland en in samenwerking met het U.S. Naval Observatory (USNO ) werd de frequentie van cesium vastgesteld voor astronomische tijd.

Terwijl NIST het eerste begon met de cesium standaard te werken, maakte het een tweede opstelling voor vergelijkende testen.

In 1960 waren de cesiumstandaards zover dat ze voor het officiele tijdmetings systeem van (National Institute of Standards and Technology) NIST werden toegepast.

Principe Cesium standaard

Principe Cesium frequentie standaard

In 1967 werd de natuurlijke frequentie van het cesiumatoom officieel erkend als de internationale eenheid van tijd: de seconde werd vastgesteld als exact 9.192.631.770 resonantiefrequentie van het cesiumatoom, en daardoor de vervanger van de oude seconde in verhouding met de beweging van de aarde. In januari 2002 was de NIST standaard in staat de tijd tot op 30 biljoenste seconde per jaar nauwkeurig te hebben.

Andere atoomklok soorten werden ontwikkeld voor verschillende toepassingen; gebaseerd op waterstof geeft redelijke stabiliteit en gebaseerd op rubidium zijn kleiner, goedkoper en vereisen minder energie.

Het moderne leven functioneert afhankelijk van de exacte tijdmetingen. Vervoer, communicatie, financiele transacties, bedrijven en vele andere technologieen zijn afhankelijk van de correcte tijd. Wetenschappelijk onderzoek en de vraag naar moderne technologieen gaat door op zoek naar nog accuratere klokken.

De volgende generatie van tijdstandaards is momenteel in ontwikkeling bij NIST, USNO, in Frankrijk, in Duitsland en andere laboratoria wereldwijd.

WERELDTIJD SCHALEN

In 1830 ontwikkelde zich een spoorweg standaard tijd voor Engeland, Schotland en Wales, als vervanging van verschillende lokale tijdsystemen. Het Royal Observatory in Greenwich begon in 1852 de tijd via de telegraaf te versturen en in 1855 gebruikte Brittanie de Greenwich tijd. Greenwich Mean Time (GMT) werd vervolgens een belangrijk en algemeen aanvaarde wereldtijd.

In 1830 richtte de U.S. Navy een instituut op, wat later het U.S.Naval Observatory (USNO) zou worden om zeevaart chronometers en ander marine instrumenten te beheren en te calibreren om de nauwkeurigheid te verzekeren bij het gebruik voor de navigatie. Voor juiste calibratie deed het regelmatig expedities en astronomische observaties. In december 1854 benoemde de Secretary of the Navy officieel dit groeiende instituut 'United States Naval Observatory and Hydrographic Office'. Door alle volgende jaren heen heeft USNO de tijdcontrole als een van de hoofdfuncties behouden.

Met de opkomst van de zeer accurate atoomklokken bemerkten de wetenschappers en technologen de onevenredigheid van tijdmeting gebaseerd op de aardbeweging, met fluctuaties van duizendsten seconden per dag. De herbepaling van de seconde in 1967 voorzag in een uitstekende referentie voor nog nauwkeurigere tijdsintervallen, maar pogingen het te koppelen aan de GMT (gebaseerd op de aardbeweging) als nieuwe definitie bleken onbevredigend. 1 januari 1972 werd de nieuwe 'Coordinated Universal Time' (UTC) internationaal erkend.

UTC werkt op basis van atoomklokken, maar als er verschil ontstaat tussen de atoomtijd en de GMT van een seconde, wordt een seconde in de UTC bijgesteld ('leap second').

De kloksystemen van NIST (National Institute of Standards and Technology) en andere atoomklokken in de USNO (U.S. Naval Observatory) en in meer dan 25 andere landen dragen nu bij aan de internationale UTC-standaard, die in Parijs is gevestigd in het International Bureau of Weights and Measures (BPIM)
Zie ook: US Time service.

WERELDTIJD ZONES

Meridiaan te Greenwich Aan het eind van de negentiende eeuw werden verschillende meridianen door verschillende landen gebruikt voor de lengtegraden. Om bepaalde redenen werd de Greenwich meridiaan het meest populair. Een van de factoren was de reputatie van betrouwbaarheid en juistheid van de publicaties van het Greenwich Observatorium omtrent navigatie gegevens. Het werd duidelijk, dat de zeevaart voordeel had van de vaststelling van een 'hoofd'-meridiaan.

In 1884 werd op een conferentie in Washington bepaald, dat de Greenwich meridiaan als eerste meridiaan zou dienen voor lengtegraden en tijdsysteem: de dag verdeeld in 24 uur, en 360 lengtegraden rond de aarde, zodat de 24 tijdzones elk 15 graden breed zijn. De zonegrenzen zijn niet overal gelijk en zijn hier en daar aangepast aan de wensen van de betreffende lokale bevolking. Interessant is, dat het standaard tijd systeem in de U.S pas in maart 1918 officieel werd verklaard door een Congres besluit, 34 jaar na de internationale conferentie in 1884. In een vroeger besluit, als gevolg van hun eigen belangen, hielden meteorologen, astronomen etc. zich aan het Standard Railway Time System van 18 november 1883. Deze Standard Railway Time, door de meeste steden aangenomen, was jarenlang het onderwerp van veel rumoer door deze opstelling.


NIST TIME AND FREQUENCY SERVICES

WWVB tijdseinzender
Sinds 1923 voorziet het NIST (National Institute of Standards and Technology) Radiostation WWV 24-uurs uitzending van tijd- en frequentie signalen. WWV's audio signaal wordt aangeboden per telefoon 001-303-499-7111. Een zusterstation, Radiostation WWVH werd opgericht in 1948 op Hawaii en het signaal is daar ook op telefoon 001-808-335-4363. Met deze telefoon dienst zijn nauwkeurigheden van 30 milliseconden te behalen. Radiofrequenties zijn 2.5 MHz, 5 Mhz, 10 Mhz en 15 MHz voor beide stations, plus 20 MHz op WWV. Het radiosignaal levert een tijdsnauwkeurigheid van circa 1 milliseconde op indien gecorrigeerd wordt voor de tijdsvertraging ten gevolge van de afstand tot de zender.

De signalen zijn in UTC (Universal Time Coordinated), zowel met stem als in codevorm; standaard draaggolf frequenties, tijdintervallen en audiotonen; informatie over Atlantische of Pacific stormen; geofysische alert data i.v.m. radiopropagatie; en andere aankondigingen ten behoeve van de openbare diensten.

In 1956 begon het lange-golf station WWVB uitzendingen op 60 kHz hetgeen een grotere nauwkeurigheid geeft dan WWV of WWVH, vanwege de stabielere propagatie eigenschappen van de ggrondgolf. Het zendvermogen werd in 1999 van 10 kW verhoogd naar 50 kW zodat het signaal het grootste gedeelte v/h Noord-Amerikaanse continent bedekt. Dit heeft de commerciële ontwikkeling van goedkope radiogecontroleerde klokken- en horloges voor algemeen gebruik sterk gestimuleerd in Amerika. (In europa dient het radiostation DCF-77 het zelfde doel.)

Tijdsignalen zijn een belangrijk bijproduct van het Global Positioning System (GPS) en dit werd de eerste satellietbron voor tijdsignalen. De tijdschaal, gebruikt door USNO dient als referentie voor GPS, maar het is belangrijk op te merken, dat de tijdschalen van NIST en USNO vast aan elkaar verbonden zijn (d.w.z. gesynchroniseerd binnen 100 nanoseconde). De signalen kunnen dus van beide instituten gebruikt worden.

De officiëele U.S Government time, voorzien door NIST en USNO, zijn te vinden op: www.time.gov
Internationaal is afgesproken dan bij het Bureau de Poids et Measures, BIPM, te Parijs, de standaard tijd wordt bijgehouden.

NIST biedt ook aan: Internet Time Service (ITS) en een Automated Computer Time Service (ACTS), waarmee computerklokken en andere klokken via Internet of telefoon kunnen worden gelijkgezet.
Freeware software voor het gebruik van deze services kunnen daar gedownload worden.

Andere nationale standaards laboratoria zijn:

Pieter J. T. Bruinsma, PA0PHB