'n Horlosie is 'n instrument waarvan tyd afgelees kan word. Ander tydmeetkundige instrumente soos die waterhorlosie en die sonwyser word ook onder horlosies gereken. Horlosies is al in gebruik sedert lank voor die geboorte van Christus. Die belangrikste kenmerk van latere staanhorlosies was die slinger en die skommelwieletjie (onrus), wat heen en weer beweeg.
Die oudste meganiese horlosies wat bewaar gebly het, dateer uit die einde van die 14de eeu. Die slingerhorlosie het gedurende die eerste helfte van die 16de eeu sy verskyning gemaak en sedertdien het die horlosienywerheid vinnig ontwikkel. Die ontwikkeling van die draagbare horlosie word gekenmerk deur presisie en miniaturisering. Die eerste draagbare horlosies was tafelhorlosies en sakhorlosies. Na 1800 het die sakhorlosie al hoe meer kompak geword, en met die koms van die polshorlosie (ongeveer 1900) het dit byna heeltemal verdwyn.
Gedurende die 20ste eeu is daar naas meganiese frekwensiereëlaars ook elektriese (kwartshorlosies) en sesiumatoomhorlosies, frekwensiereëlaars ontwikkel wat baie noukeuriger as alle vorige tydmeetkundige instrumente is. Gedurende die sewentigerjare is die kwartshorlosie ontwikkel, waarvan die modernste ontwerpe nie meer wysers het nie, maar ʼn digitale of syfervertoon.
Geskiedenis
Behalwe dat hy donker en lig en die tydsverloop van die lang dae en kort dae waargeneem het, het die prehistoriese mens maar min pogings aangewend om tyd in te deeI. Alles kon wag en niks hoef juis op ʼn gegewe tyd te gebeur het nie – alles behalwe gebede. In byna alle lande en beskawings was dit die priesters wat besluit het dat daar 'n tydsindeling moes kom en dat tyd gemeet moes kon word. Die gode moes hul gebede en offerandes betyds kry.
Dit is hierdie lojale priesters wat vir die eerste keer tydaanwysers begin gebruik het. Die oudste metode waarvolgens tyd gemeet is, was waarskynlik met die hulp van 'n vertikale stok, die sogenaamde gnomon, en die stand van die son. Op die grond is daar gewoonlik 'n paar boë of lyne getrek wat die lengte van die skadu van die stok tydens sonop, presies in die middel van die dag en ook met sonsondergang aangedui het. Veral in die Midde-Ooste, waar die son feitlik elke dag skyn, het skadustokke vroeg reeds hulle verskyning gemaak.
Dit is ook in hierdie gebied waar die Galdeërs, die mense van Abraham, 4000 jaar gelede die dag en die nag in twaalf dele of periodes verdeel het. Waarom juis twaalf, is nie presies duidelik nie, maar dit was die begin van die uur. Selfs die Chinese, wat hul dae in honderd eenhede verdeel het, het later ure aanvaar. Die posisie van die lyne om die skadustok wat die periodes moes aandui, moes omtrent elke maand verander word om aan te pas by die steeds veranderende hoek van die son.
Uit hierdie eenvoudige gnomon het meer ingewikkelde sonwysers ontwikkel. Hierdie metode van tydmeting was beslis al 2500 v.C. in China in gebruik. Die yslike obeliske van Ou Egipte was ook tydaanwysers. Dit was klippale van meer as 30 m hoog en daar bestaan vandag nog 'n paar van hulle. Bo-aan die punt van sommige obeliske het die Egiptenare later 'n ronde gat gemaak. Die son het dan deur hierdie opening geskyn en 'n helder kol aan die punt van die skadu op die grond gemaak. Die Antieke Grieke het klaarblyklik ook tyd bereken met behulp van die lengte van die skadu van sekere hoë pilare. In een van die toneelstukke van Aristophanes (Die Paddas, ongeveer 405 v.C.) sê ʼn karakter: "Wanneer die skadu tien tree lank is, kom eet dan by my."
'n Redelik gesofistikeerde sonwyser uit Egipte dateer uit ongeveer 1000 v.C. en is waarskynlik die oudste sonwyser wat bewaar gebly het. Dit bestaan uit 'n lang, horisonale stuk wat in periodes afgemerk is, en 'n vertikale T-stuk wat 'n skadu oor die afgemerkte stuk laat val. 'n Nadeel van hierdie sonwyser is dat dit in die oggend opgestel moet word sodat die afgemerkte stuk na die weste sal wys en in die middag weer omgedraai moet word sodat dit na die ooste wys. Daar is nooit 'n model gevind met 'n T-stuk aan weerskante nie. In 2 Konings 20:11 word daar na hierdie soorte sonwysers verwys: "... en Hy het die skaduwee op die grade waarlangs dit op die grade van Agas se sonnewyser gedaal het, laat teruggaan, tien grade agteruit." Tydsberekenaars plaas hierdie gebeurtenis in omstreeks 741 v.C.
'n Groot verskeidenheid van sonwysers het in die loop van jare ontstaan. Die skadupen is later nie meer in die grond geplant nie, maar op 'n plaat gemonteer. Daar is opgemerk dat die skadu deur 'n sirkel beweeg, en die rand van so 'n sirkel is op hierdie plaat in gelyke dele of ure afgemerk. Op die manier kon verbygangers redelik maklik die naaste uur aflees. Die pen is ook in sommige gevalle deur 'n driehoek vervang, wat 'n duideliker skadu gewerp het. AI die sonwysers het egter een belangrike nadeel gehad: hulle het nie gewerk as die son nie skyn nie. Snags en op reëndae was die priesters verlore.
Hulle het probeer om tyd te hou met gebede wat presies so lank geduur het en dan oor en oor herhaal is, maar dit was 'n vermoeiende en verwarrende metode. Om hiervoor 'n oplossing te vind, is 'n hele aantal tydmeetkundige instrumente ontwerp. Die waterhorlosie of clepsydra (Ietterlik vertaal beteken dit waterdief) het ook in die Oudheid ontstaan. In beginsel is die werking van 'n waterhorlosie eenvoudig: 'n bak water met 'n gaatjie onderin loop binne 'n sekere tyd leeg. Met 'n sonwyser kon daar gemeet word hoe lank dit duur voordat 'n sekere bak leeg was en merkies is aan die binnekant van die bak aangebring om die ure aan te dui. Daar was egter probleme met hierdie vroeë waterhorlosies: die water het nie altyd ewe vinnig by die gaatjie uitgeloop nie. Hoe voller die bak (hoe hoër die druk by die gaatjie), hoe vinniger het die water uitgeloop.
Op die manier kon daar moeilik 'n akkurate tydsindeling gemaak word. Die probleem is opgelos toe daar na baie eksperimente gevind is dat die water altyd met dieselfde tempo by die gaatjie sal uitvloei as die wande van die houer 'n hoek van 70 grade het. In Egipte was dit die gebruik om sommige waterhorlosies met melk te vul. Die gode het melk as 'n offerande geëis, en dan was die tydmetery sommer terselfdertyd 'n offerande om die gode tevrede te stel. Sommige waterhorlosies is pragtig versier met beeldhouwerk en inskripsies en die waterhouers het ook soms eienaardige vorms gehad. 'n Waterhorlosie in die vorm van 'n donkie wat uit die Oudheid dateer, word vandag nog in 'n museum in Kaïro bewaar.
Die omgekeerde beginsel is ook soms vir waterhorlosies gebruik. 'n Leë, afgemerkte bak met 'n gaatjie in die bodem het bo-op die water gedryf. Die water het dan deur die gaatjie na binne gesyfer en stadig opgestoot verby die merkies aan die binnekant van die bak wat die ure moes voorstel; na 'n bepaalde tydsverloop was die bak dan vol en het dit gesink. Vandag nog gebruik talle boere in Algerië sulke waterbakhorlosies om die tydsduur van hul waterleibeurt aan te dui. Die ontwikkeling van sonwysers het intussen ook nie stilgestaan nie en heel verfynde instrumente, selfs sakmodelle, is ontwerp. In 600 n.C. het pous Gregorius I opdrag gegee dat daar 'n sonwyser op alle kerke geplaas moes word. Hierdie gebruik is eeue lank voortgesit en baie kerke in Engeland en in Europa wat voor die Renaissance opgerig is, het vandag nog 'n sonwyser teen hul mure. Sonwysers is later nog verder deur die Arabiere verfyn en selfs nadat die eerste meganiese horlosies laat in die 14de eeu in Europa verskyn het, het sonwysers nie verdwyn nie. Hulle is nog op groot skaal gedurende die Renaissance ontwerp, verbeter en vervaardig. Ook die waterhorlosies het met verloop van tyd ingewikkelder geword, en Viturvius (1ste eeu n.C.) beskryf 'n waterhorlosie waarvan die waterstand deur middel van 'n ratwerk aan 'n wyser gekoppel was. Dit was die eerste tekens van horlosiemeganika. In Persië is daar reeds in 124 v.C. 'n waterhorlosie ontwerp wat 'n wyserplaat en 'n wyser gehad het. Dit het op presies dieselfde beginsel as alle ander waterhorlosies gewerk, maar die een het 'n swaar stuk hout in gehad wat bo in die bak gedryf het. Die stuk hout is met 'n toutjie aan 'n wyser verbind. Namate die watervlak in die houer gedaal het, het die hout saam gesak en die toutjie het die wyser oor 'n wyserplaat getrek. Sulke waterhorlosies het geleidelik oor die hele Midde-Ooste versprei, maar dit sou nog lank duur voordat hulle in Europa bekend sou word. Sirië het gedurende die eerste eeu na die geboorte van Christus 'n baie groot en spoggerige waterhorlosie aan Athene geskenk. Die mure van hierdie waterhorlosie staan vandag nog in die Griekse hoofstad. Dit was 'n agthoekige toring en op elk van die agt kante was daar 'n sonwyser en afbeeldings wat die verskillende winde voorgestel het. Daar was volgens oorlewering ook 'n ingewikkelde windwyser op die dak. Tot vandag toe word die horlosie die Toring van Winde genoem. Binne-in hierdie toring was daar 'n indrukwekkende waterhorlosie. In die howe van Athene is daar destyds klein waterhorlosies gebruik om aan te dui hoe lank 'n regsgeleerde die hof ter verdediging van sy kliënt mog toespreek. Hierdie gebruik is later ook in die howe van Rome ingestel. Volgens oorlewering het minstens een Romeinse gevangene sy lewe aan 'n waterhorlosie te danke - 'n klein klippie het in die gaatjie van die waterhorlosie beland toe sy advokaat besig was om die hof toe te spreek. Die water het nie uitgeloop nie en die advokaat kon rustig voortpraat. Solank het sy toespraak ter verdediging van die gevangene geduur dat daar intussen nuwe bewysstukke by die hof opgedaag het wat die gevangene se onskuld bewys het. Daar word ook vertel dat Julius Caesar baie verbaas was toe hy besef het dat die sogenaamde barbare teen wie hy in die noorde oorlog gevoer het, ook van waterhorlosies gebruik gemaak het. Deur volksverhuisings en die uitbreiding van die Romeinse Ryk het waterhorlosies geleidelik oor Europa versprei.
Volgens ou Middeleeuse geskrifte is 'n brand in 'n Franse klooster een keer geblus met die water van 'n waterhorlosie. Die waterhorlosies is deur die Chinese en die Arabiere verder ontwikkel en in Europa tot in die 16de eeu gebruik. Die Chinees So Loeng (1020-1101) het 'n waterhorlosie beskryf wat bestaan het uit 'n rat (wiel) met 'n aantal bakkies. Sodra 'n bakkie met water volgeloop het, het die wiel 'n entjie verder gedraai sodat die volgende, leë bakkie onder die watertoevoer beland het. In beginsel het hierdie meganisme reeds in die rigting van die tandratte van latere horlosies gedui.
Naas sonwysers en waterhorlosies is verskeie ander tydaanwysers ook gebruik. Die Chinese het onder meer die sogenaamde vuurhorlosie gebruik. Hierdie horlosie het uit 'n lang lont bestaan met 'n aantal metaalballetjies op afgemete plekke. Namate die lont stadig opgebrand het, het die balletjies losgeraak en een vir een op 'n klok geval. Gedurende die Middeleeue is daar ook van gemerkte kerse gebruik gemaak. Elke ring op 'n afgemerkte kers het ongeveer 'n uur geneem om op te brand. Dit was nie baie betroubaar nie, want selfs net 'n effense trek het die kers natuurlik vinniger laat brand.
Olielampe waarin die stand van die olie in die glas-oliehouer afgelees kon word namate die olie opgebrand het, is ook gebruik. Sandlopers het in gebruik gekom nadat 'n monnik in 'n klooster by Chartreux gedurende die 8ste eeu die kuns om glas te blaas, herontdek het. Sandlopers het bestaan uit 'n glashouer met twee ruimtes wat met 'n nou gangetjie met mekaar verbind is. 'n Afgemete hoeveelheid sand is in die glashouer verseël en tyd is afgemeet deur die sand deur die gaatjie van die een ruimte na die ander ruimte te laat loop. Die sandlopers is in verskillende groottes gemaak om verskillende hoeveelhede tyd af te meet.
Aanvanklik was daar sandlopers wat 'n kwartier, 'n halfuur, 'n uur en vier uur kon meet. Die sandlopers is veral op die skepe van ontdekkingsreisigers gebruik, meestal om die vaartsnelheid te meet en die duur van die wag aan te dui. Vir laasgenoemde is die vieruursandlopers gebruik. Die matrose op wag het dit dan ook dikwels 'n uurglas of nagglas genoem. Vir navigasie was dit nodig dat die uurglas presies op die regte oomblik omgedraai moes word om die volgende periode af te meet. Die sandlopers self was baie betroubaar, maar die wagte wat dit gebruik het, nie. Die wagte moes tyd hou en die sandloper omkeer presies op die oomblik dat dit leeggeloop het. Dit het dikwels gebeur dat hulle dit te vroeg of te laat gedoen het en op die manier het daar soms groot navigasiefoute ontstaan. Dit was juis as gevolg van verkeerde tydsberekeninge dat die Portugese seevaarders op pad na die suidpunt van Afrika per ongeluk Suid-Amerika ontdek het.
Al hierdie soorte tydaanwysers was nog nie ware meganiese horlosies nie. Geleerdes, wetenskaplikes en ontwerpers het horlosies 'n paar eeue lank as 'n soort stokperdjie beskou en met die vreemdste en ingewikkeldste ontwerpe vorendag gekom. Hierdie horlosies was meer vir vermaak as vir akkuraatheid bedoel. Die waterhorlosies het al hoe ingewikkelder geword, maar in die meeste gevalle het die kragbron (die water wat dit aangedryf het) net eenvoudig verlore geraak nadat dit een keer deur die meganisme geloop het. Geeneen van die tydmeetinstrumente van die jare rondom Christus se geboorte kon vanself aanhou werk nie. Die kerse het opgebrand en die sandlopers moes omgedraai word.
Maar die Arabiere het hulle met groot ywer en geesdrif toegespits op die ontwikkeling van waterhorlosies en teen 900 n.C. het sommige van hulle ontwerpe halfoutomatiese eienskappe verkry. Daar is soms bewegende beeldjies van diere in die horlosies ingebou en daar was selfs meganiese voëltjies wat begin fluit het as die waterhouer leeggeloop het en weer gevul moes word. In China het Tsjang Soei reeds in 700 n.C. 'n waterhorlosie gemaak wat deur 'n hidrouliese wiel aangedryf is. Dit was 'n groot stap vooruit, maar die ontdekking het die Westerse wêreld nie geraak nie en is eers eeue later in Europa "heruitgevind". Karel die Grote van Frankryk was verstom toe die Kalief van Bagdad in 809 n.C. vir hom 'n waterhorlosie met sekere outomatiese eienskappe as geskenk gegee het. Hierdie waterhorlosie het 'n wyserplaat met twaalf deurtjies gehad. Elke uur het een van die deurtjies oopgegaan en het soveel metaalballetjies as die getal ure wat verstryk het, by die deurtjie uitgerol en op 'n klokkie geval, wat dan die uur aangekondig het. Nadat daar twaalf ure verstryk het, het twaalf meganiese soldaatjies die deurtjies weer toegestoot en het die hele proses weer van vooraf begin.
Die eerste meganiese horlosies
Hoe vernuftig die reeds genoemde tydmeters ook al gewees het, was hulle noukeurigheid gering. Dit het eers met die ontwikkeling van die meganiese uurwerk verbeter, waardeur 'n wyser deur middel van 'n ratwerk met 'n meganisme deur 'n gewig voortbeweeg is. Oor die ware oorsprong van hierdie meganiese horlosies is weinig of niks bekend nie. Sommige navorsers meen dat die meganiese horlosie ontwikkel het uit die sterrekundige instrumente wat reeds voor die jaar 1000 by die Arabiere in gebruik was. Hulle het waarskynlik die beginsels waarop hierdie instrumente gewerk het, by die Grieke oorgeneem. Volgens geskiedskrywers is dit egter wel seker dat daar in die tweede helfte van die 13de eeu in Sentraal-Europa meganiese horlosies gemaak is.
Die heel vroegste meganiese horlosies is aangedryf volgens 'n beginsel wat 500 jaar lank in gebruik sou bly en selfs vandag nog in sommige horlosies aangewend word – die energie van vallende gewigte. Hierdie gewigte is aan toutjies opgehang wat om 'n silinder opgedraai is wat deur middel van 'n wiel aan die horlosie se ratwerk verbind is. Om te verhoed dat die draaiende silinder en die ratstelsel te vinnig versnel en die energie van die gewigte te vinnig opgebruik word, is daar 'n remmende meganisme ingeskakel wat die echappement genoem word en elke keer net een tand van die rat laat verspring. Die uurwerk is verbind met 'n enkele wyser wat oor 'n wyserplaat loop waarop 24 ure afgemerk is.
Hierdie vroeë horlosies is deur hoefsmede en sleutelmakers met die hand gemaak uit ru-yster. 'n Uitsondering was die horlosie wat deur die Italianer Giovanni de Dondi gemaak is, Hy het in 1348 daaraan begin werk en sy horlosie eers 16 jaar later voltooi Die horlosie het verlore geraak maar kon later volledig gerekonstrueer word aan die hand van volledige beskrywings wat in die biblioteek van Milaan gevind is. Dondi se horlosie was van geelkoper, brons en rooikoper gemaak, met sewe wysers wat tegelyk die maan en die planete se bewegings sowel as die uur op 'n 24-uur-wyserplaat aangedui het, Dondi se wyserplaat was gegrond op die wêreldbeeld van Ptolemaeus. Die hele horlosie was duidelik sy tyd ver vooruit. Van die swaar ru-ystermodelle het enkeles bewaar gebly.
Die horlosie in die toring van die katedraal van SalisburyBrittanje, wat uit die jaar 1386 dateer, is die oudste wat gedeeltelik nog bestaan. Die horlosie is nog steeds in die toring, maar vernuwing en modernisering deur die eeue het meegebring dat daar nog maar min van die oorspronklike meganisme oor is. Die horlosie van die toring van die katedraal van Wells, wat ongeveer tien jaar later gemaak is, het ook bewaar gebly en staan nou in die Science Museum in Londen. Tussen die bewegende dele van die uurwerk van hierdie vroeë horlosies was daar so baie wrywing en slytasie dat hierdie horlosies in een dag maklik 'n halfuurgewen of verloor het. Ondanks hulle onakkuraatheid was daar 'n groot aanvraag na meganiese horlosies en het dit gedien as 'n soort statussimbool onder die rykes. Die horlosiemakers van Europa het hul bes gedoen om horlosies te verbeter en het terselfdertyd geprobeer om aan die vraag te voldoen. Hoewel die Italianers die beste onder die vroeë horlosiemakers was; het sommige stede en dorpies in Suid-Duitsland, veral Ulm, Augsberg en Neurenberg, binne 'n paar dekades beroemd geword en het hulle hul eie gildes van horlosiemakers gehad. Hoewel Leonardo da Vinci reeds teen ongeveer 1485 met ratte en vere in sy aantekeningboeke geëksperimenteer het, is die eerste horlosie wat deur 'n veer aangedryf is, eers in 1510 deur Peter Henlein gemaak. Dit was silindervormige horlosies wat nie meer soos hulle voorgangers opgehang moes word nie, maar ook neergesit kon word. Die wyser en die wyserplaat is soms bo-op die horlosie aangebring. Een van die nadele van hierdie horlosies was dat die trekkrag van die veer, namate dit afgeloop het, verminder het. Hiervoor het Jacob Zech in omstreeks 1540 'n oplossing gevind. Hy het die trekkrag van die veer deur middel van 'n koord op 'n keëlvormige wenas verplaas, waardeur 'n teengewig gevorm is teen die verminderende dryfkrag van die veer.
Hierdie soort konstruksie het in gebruik gebly tot ongeveer 1800, toe die horlosieveer sodanig verbeter is dat 'n konstante trekkrag verkry kon word. Sommige van hierdie vroeë horlosies was voorsien van 'n slagwerk wat bestaan het uit 'n afsonderlike tandwielmeganisme en 'n gewig of 'n veer. Die uurwyser het dan periodiek 'n hefboompie opgetel, waardeur die rat wat die slaghamer bedien het, in beweging gebring is. Gedurende die eerste 300 jaar van meganiese horlosies, tot ongeveer 1650, het die horlosies geleidelik al hoe ingewikkelder geword en is hulle met groter sorg versier maar het hulle nie juis akkurater geword nie.
Slingerhorlosies
Groter noukeurigheid is bereik eers toe die foliomeganisme (die vroeë vorm van echappement wat bestaan het uit 'n dwarsbalkie met verstelbare gewiggies om die ossillasietempo te reguleer) deur 'n slinger vervang is. In 1580, toe Galileo Galilei nog 'n tienerstudent was, het hy in die katedraal van Piza 'n lamp wat aan 'n lang ketting opgehang was en deur die wind heen en weer gewaai is, dopgehou. Hy het opgemerk dat die tyd wat die lamp geneem het om van die een kant na die ander kant deur te swaai, dieselfde gebly het, ondanks die feit dat die uitwyking na albei kante verminder het. Hierdie eenvoudige waarneming het 'n revolusie by die horlosiemakers teweeg gebring. Galilei het dadelik self ook met 'n slingerhorlosie begin eksperimenteer, maar dit was Christiaan Huygens wat in 1656 vir die eerste keer daarin geslaag het om 'n werklik bruikbare slingerhorlosie te maak.
In Huygens se horlosie kry die slinger elke keer 'n tikkie of 'n stootjie van die echappement, waardeur dit, ondanks die wrywing, kan aanhou slinger; terselfdertyd sorg die slinger daarvoor dat die echappement by elke slingerslag die ratwerk een tand verder laat deurloop. Hoewel Huygens se pendulum (slinger) teen 'n presiese pas getik het, het dit nie presies een maal per sekonde getik nie. Dit was waarskynlik die Engelse fisikus Robert Hooke wat omstreeks 1660 ontdek het dat 'n pendulum met 'n gewiggie onderaan wat presies 39,14 duim (99,4 cm) lank is presies een keer per sekonde sou tik. Hierdie uitvinding sou sedertdien bekend staan as die Royal Pendulum en die toepassing sou lei tot die ontwikkeling van hoë staanhorlosies, wat aanvanklik sterthorlosies genoem is en waarvan die slinger en gewigte vir die eerste keer heeltemal in 'n kas toegebou is. Alle horlosies het tot in daardie stadium nog net een uurwyser gehad wat (sedert omstreeks 1500) elke twaalf uur een maal in die rondte beweeg het. Na 1680 is 'n minuutwyser ingesluit en tien jaar later het sommige horlosies ook sekondewysers gehad.
Omstreeks 1715 het George Graham (1673-1751) die sogenaamde grahamgang ontwerp wat die slingerbeweging gestabiliseer en dit so ongesteurd moontlik laat verloop het. Omstreeks 1730 het die Fransman Amant die pennegang ontwikkel, wat die slingerbeweging ook so ongesteurd moontlik moes laat verloop. Horlosiemakers het egter die grahamgang verkies en hierdie vorm van echappement bly tot vandag toe vir sekere huishoudelike horlosies in gebruik. 'n Gewone slinger sal as die temperatuur styg, 'n klein bietjie langer word, as gevolg waarvan die uurwerk stadiger sal loop. 'n Temperatuurverandering van 2 ˚C sal by 'n staal-sekondeslinger van ongeveer 99 cm lank 'n afwyking van een sekonde per dag veroorsaak. Wanneer daar, soos in laboratoriums of in sterrewagte, groter noukeurigheid vereis word, moet daar dus temperatuurkompensasie toegepas word.
Hiervoor het George Graham in 1721 die kwikslinger ontwerp. Die gebruiklike gewig onderaan die slinger het in hierdie geval uit 'n houer met kwik bestaan. By temperatuurveranderinge het die slinger en die kwik soveel in die teenoorgestelde rigting uitgesit dat die swaartepunt van die slinger as geheel op dieselfde plek gebly het. Hierdie soort slinger is baie jare gebruik, veral in sterrekundige horlosies. 'n Tweede metode om die probleem van temperatuurveranderinge te oorkom, was die roosterslinger, wat omstreeks 1726 deur John Harrison (1693- 1776) ontwerp is. Die slinger bestaan uit 'n aantal stawe met verskillende uitsettingskoëffisiënte wat op so 'n manier aanmekaar verbind is dat die uitsetting in beide rigtings mekaar in ewewig hou. Harrison het in 1755 ook nog die sogenaamde bimetaalslinger ontwikkel. Hierdie dun slinger bestaan uit twee metaalstroke wat aan mekaar vasgeheg is maar elk 'n verskillende uitsettingskoëffisiënt het.
As die temperatuur verander, trek die bimetaalslinger 'n bietjie krom, maar die swaartepunt bly op presies dieselfde plek. In die loop van die 17de en 18de eeu het die slingerhorlosie 'n bruikbare tydmeter geword wat selfs 'n belangrike maatskaplike betekenis gekry het. Namate die horlosies noukeuriger begin loop het, is daar opgemerk dat die skynbare beweging van die son deur die hemel (waarop die ware sontyd gegrond was) nie dwarsdeur die jaar konstant is nie. Dit is omdat die aarde nie met 'n konstante snelheid rondom die son beweeg nie. Om die loop van die son aan te pas by dié van die horlosie, moes daar oorgegaan word na die sogenaamde middelbare sontyd, wat deur die horlosie aangedui kon word. Ook vir die wetenskap, veral vir die sterrekunde, het die horlosie 'n belangrike instrument geword. Deur die horlosie te koppel aan 'n teleskoop wat in die meridiaanvlak beweeg het, kon die tyd gemeet word waartydens 'n ster deur hierdie vlak beweeg. Hierdie tyd, tesame met die gemete hoogte, het dan die posisie van die ster aangedui.
Elektriese horlosies
Elektriese stroom kan ook as kragbron vir die aandrywing van uurwerke van horlosies gebruik word en die werk van die gewig of die veer vervang. Elektrisiteit word ook gebruik vir die opwekking van tydimpulse vanuit 'n sentrale moederhorlosie na verskillende ver van mekaar verwyderde newehorlosies; hierdie soort horlosies word dikwels op stasies aangetref met 'n newehorlosie op elke perron. Die Engelse uitvinder Alexander Bain (1810-1877) het in 1840 'n patent verkry op 'n horlosie wat aangedryf is deur 'n veer en 'n slinger en wat met behulp van 'n battery elektriese impulse opgewek het vir die regulering van die gang van 'n aantal ander horlosies.
Hierdie beginsel, waarby die aandrywing van die horlosies nog meganies was, is vir die eerste keer vertoon op die groot Europese tentoonstellings in Londen (1851) en Parys (1867). Eers in die eerste dekade van die 20ste eeu is horlosies gemaak waarvan die uurwerk deur 'n battery aangedryf is. Elektriese energie is in hierdie horlosies gebruik om 'n slinger of onrus deur middel van periodieke impulse in beweging te hou, of om deur middel van 'n elektromagneetjie 'n hefboompie op te tel wat elke keer as dit weer afval, die telwerk aangedryf het. 'n Heeltemal ander beginsel word gebruik in die sinchrone horlosie. Die horlosie bestaan uit 'n elektromotortjie waarvan die snelheid bepaal word deur die frekwensie van die wisselstroom, byvoorbeeld dié van huishoudelike elektrisiteit (in Suid-Afrika is dit 50 Hz). Gedurende elke siklus van die wisselstroom voer die motortjie een omwenteling uit.
Die omwentelingsnelheid word deur middel van ratverhouding by die rotasie van die sekonde-, minuut- en uurwyser aangepas. Die horlosie self het geen beheer oor die aantal siklusse waardeur die motortjie aangedryf word nie. Indien die wisselstroomfrekwensie om die een of ander rede sou verander, sal dit die akkuraatheid van die horlosie beïnvloed. Die sinchrone horlosie word veral in openbare geboue en winkels gebruik.
Die Shortt-horlosie
Die noukeurigste elektromeganiese horlosie is die Shortt-horlosie, wat omstreeks 1920 deur W.H. Shortt ontwikkel is. Die horlosie bestaan uit 'n sogenaamde "meesterhorlosie" en 'n "slaafhorlosie". Die meesterhorlosie bestaan net uit 'n slinger wat een of twee keer per minuut 'n impuls van 'n vallende hefboompie ontvang. Dit gebeur nadat die slaafhorlosie, 'n volledige horlosie met 'n eie slinger en tydaanwyser, 'n elektriese sein na die meesterhorlosie gestuur het.
Nadat die slaafhorlosie die sein uitgestuur het, word 'n sinchronisasiesein van die meesterhorlosie na die slaafhorlosie teruggestuur, waardeur die volgende impuls, presies 'n halwe minuut na die vorige impuls, na die meesterslinger teruggestuur kan word. Klein afwykings wat in die slaafhorlosie kan ontstaan, werk in hierdie geval nie kumulatief nie maar word telkens gekorrigeer. Die beweging van die slinger word nie beïnvloed deur wrywing en slytasie in 'n echappement nie.
Bowendien is die hele apparaat in 'n verseëlde kas ingebou waarin die lugdruk op 'n konstante lae vlak gehou word. In 'n sterrewag sal 'n Shortt-horlosie altyd op 'n plek staan waar die temperatuur so konstant moontlik gehou kan word. Onder hierdie omstandighede kan uitsonderlike noukeurigheid bereik word, met 'n afwyking van hoogstens enkele duisendstes van 'n sekonde per dag.
Draagbare horlosies
Die eerste draagbare horlosies het waarskynlik kort na die uitvinding van die spiraalveer vir horlosies, ongeveer 1500, verskyn. Hoewel hul le kleiner was, was hulle nie werklik draagbaar nie omdat hierdie horlosies se gang gereël is deur ʼn foliot ('n heen en weerdraaiende dwarsbalkie met gewiggies) en na 1656 deur 'n slinger. 'n Vereiste vir altwee hierdie meganismes was dat die horlosies nie mog beweeg nie. Die ontwikkeling van draagbare horlosies is veral gedurende die 16de en 17de eeu gestimuleer deur die behoefte wat daar in die skeepvaart ontstaan het aan noukeurige horlosies wat rondgedra kon word en selfs op 'n beweegbare vlak, soos 'n skip se dek, gebruik kon word. Robert Hook het die eerste pogings in die rigting aangewend met sy ontwikkeling van die balansveer (ongeveer 1660).
Die apparaatjie (onrus) bestaan uit 'n vliegwiel ('n klein, swaar wieletjie sonder tande) en 'n spiraalveer, wat later 'n haarveer genoem is. Die een punt van die spiraalveer was aan die assie van die vliegwiel vasgeheg en die ander punt aan 'n vaste punt in die horlosie. 'n Ankerrat het die vliegwiel eers in die een rigting en dan in die teenoorgestelde rigting gestoot en die veer het intussen op en af gewen. Die ankerrat het dus die vliegwiellaat ossilleer, terwyl die vliegwiel, aangedryf deur die spiraalveer, weer die ankerrat met gereelde tussenpose laat draai het, tand vir tand. Hierdie uitvinding in die hande van horlosiemakers, soos Christiaan Huygens en veral Hook se vriend Thomas Tompion, het gelei tot die ontwerp van baie platter horlosies. Hulle was nou klein genoeg om in 'n binnesak of 'n onderbaadjiesak gedra te kon word. 'n Werklik bruikbare horlosie vir die skeepvaart was daar egter nog nie. In 1714 het die Britse regering 'n beloning van £20 000 aangebied vir die ontwerper van 'n horlosie wat akkuraat sou bly tydens 'n vaart na die Wes-Indiese eilande en terug.
Die Engelse uitvinder John Harrison (1693-1776) het die uitdaging aanvaar en daarop gekonsentreer om 'n balansveer te maak wat onafhanklik van temperatuurveranderinge sou werk. Na sewe jaar se navorsing het hy Chronometer nommer 1, soos hy die horlosie genoem het, ingegee om getoets te word. Dit het nie perfek gewerk nie, maar die Britse Vloot was so beïndruk dat hulle £500 van die beloning aan Harrison toegeken en hom aangemoedig het om weer te probeer. In 1759 het hy Chronometer nommer 4 oorhandig en die was na 'n seereis van 156 dae nie meer as 54 sekondes verkeerd nie. Dit was vir daardie jare so ongelooflik akkuraat dat die Britse Vloot geglo het dat daar 'n gekonkel agter die toets gesit het en hulle het geweier om die beloning toe te ken.
Drie jaar later is die chronometer weer getoets en dié keer was die resultate nog beter. Maar die Vloot het nogtans net die helfte van die beloning aan Harrison uitbetaal. Eers in 1773 en na 'n versoekskrif aan die koning het die Vloot die res van die beloning aan die horlosiemaker betaal. Harrison het die temperatuurwisselingsprobleme oorkom deur gebruik te maak van ʼn bimetaalkonstruksie. Terselfdertyd het Pierre Ie Roy in Frankryk 'n bimetaalbalanswieletjie ontwerp en gemaak wat tydens temperatuurveranderinge dieselfde traagheidsmoment behou het. In die begin van die 20ste eeu is daar van ivarstaal gebruik gemaak. Hierdie staal het so 'n minimale uitsettingskoëffisiënt dat dit nie in ag geneem hoef te word nie.
Verbeteringe in die echappement was nodig om te sorg dat die balans so ongesteurd moontlik kon bly slinger. Hiervoor het George Graham omstreeks 1725 die silindergang ontwikkel en Thomas Mudge (1715- 1794) omstreeks 1755 die ankergang vir gebruik in horlosies. Die verbeterde meganismes was nog steeds gegrond op dieselfde beginsel as die van die grahamgang van slingerhorlosies. Dieselfde ankergang word ook nog deesdae oor die algemeen in meganiese horlosies gebruik. Om die wrywing in die ratwerk te verminder, is daar in die 18de eeu van edelsteenlaertjies gebruik gemaak waarin die ratassies kon loop. 'n Switser wat in Engeland gewoon het, Nicolas Facio de Duillier (1664- 1753), het in 1704 'n metode uitgevind om met diamantboortjies gaatjies in robyne en saffiere te boor sodat hierdie steentjies as laersteentjies gebruik kon word. Die deursnee van die gaatjie of ruspunt vir die as van die balanswiel is omtrent 0,1 mm.
Die hoeveelheid laersteentjies (juwele) wat in 'n horlosie gebruik is, word gewoonlik op die agterkant van die horlosie aangedui. Hoewel die wrywing aan die eindpunt van so 'n balansassie baie gering is, kan dit in die geval van noukeurige horlosies nie buite rekening gelaat word nie. Boonop word die gang van 'n horlosie ook in geringe mate beïnvloed deur die stand; die horlosie loop meer konstant as dit altyd min of meer in dieselfde posisie sou bly. Abraham Louis Perrelet (1729- 1826) het reeds in 1770 'n selfopwenhorlosie gemaak. In die horlosie was daar 'n hefboompie met 'n gewig wat deur die draer in beweging gebring is. Hierdie bewegingsenergie (soos loop of die swaai van 'n arm) word dan gebruik om 'n veer op te wen. Horlosies is aanvanklik met 'n sleuteltjie opgewen, wat aan die einde van die 19de eeu deur 'n permanente opwenknoppie vervang is. Kort hierna het polshorlosies baie gewild geword.
Die moderne outomatiese horlosie is toegerus met 'n gewiggie wat 360 grade in beide rigtings kan draai en daarmee die veer opwen. As gevolg van die konstante veerspanning is die gang van so 'n horlosie ook baie konstant. 'n Gemiddelde polshorlosie tik vyf keer per sekonde of 432 000 keer in 24 uur. In dieselfde tyd beweeg die vliegwiel 540 000 keer heen en weer en lê op die manier 'n afstand van net meer as 11 km per dag af. As die wiele van 'n motor dieselfde hoeveelheid kere sou draai as die vliegwiel van 'n horlosie, sou dit binne 'n jaar 400 000 km afgelê het. 'n Motor sou na so 'n reis waarskynlik uitmekaargeval het, maar 'n moderne polshorlosie loop dikwels jare sonder dat dit herstel hoef te word. Moderne polshorlosies dien ook meestal as datumhorlosies.
'n Stophorlosie is gewoonlik 'n sakmodel wat gebruik word vir die meet van betreklik kort tydsdure en nie van die werklike tyd nie. Deur 'n knoppie in te druk, word die balans aan die gang gesit en begin die wyser loop. Deur dieselfde knoppie nog 'n keer te druk, word die wyser gestop, en as dit 'n derde keer ingedruk word, gaan staan die wyser weer op nul (laasgenoemde aksie word ook soms met behulp van 'n tweede knoppie gedoen). In sommige gevalle is die frekwensie van die balans groter as die gebruiklike vyf bewegings per sekonde, sodat daar byvoorbeeld tiendes of honderdstes van 'n sekonde gemeet kan word. As gevolg van die reaksiesnelheid van die gebruiker is die meetnoukeurigheid van so 'n stophorlosie egter hoogstens 0,1 sekonde. 'n Chronograafhorlosie is 'n gewone noukeurige horlosie wat behalwe die gebruiklike uur- en minuutwysers ook nog 'n groot sekondewyser het. Hierdie sekondewyser kan deur die druk van 'n knoppie aan die loop gesit of gestop en na nul teruggeplaas word. Die horlosie self hou net aan met loop.
'n Chronometer is volgens die Internasionale Bond van Horlosiemakers gewoonlik 'n draagbare, besonder noukeurige horlosie van hoë kwaliteit wat aan die eise van die sterrekunde voldoen. Hierdie horlosie is toegerus met 'n spesiale echappement waarby die impuls aksie en die blokkering apart geskied. Verder is dit ook toegerus met 'n meganisme wat die veerkrag konstant hou en kompenseer vir alle temperatuurinvloede. Die chronometer is as gevolg van al die bykomende meganismes groter en swaarder as gewone horlosies. Die chronometer wat op skepe gebruik word, word in 'n kardanring gemonteer sodat dit altyd horisontaal hang. Met die ontwikkeling van die radio het die chronometer se aanvanklike belangrikheid as instrument by die bepaling van lengtelyne sterk afgeneem.
Teen die vyftigerjare het daar horlosies op die mark gekom wat deur 'n batterytjie aangedryf word. In hierdie elektriese horlosies word die balans elektromagneties in beweging gehou deur 'n spoel wat gevoed word uit 'n elektroniese skakeling. In die geval van 'n stemvurkhorlosie word 'n klein stemvurkie deur 'n elektroniese verbinding aan die tril gehou (frekwensie 360 Hz). Hierdie trilling word meganies omgesit in die rotasie van 'n baie fyn getande palwiel. Die wrywing is baie gering en daar is ook baie minder bewegende dele in hierdie soort horlosie. Sedert die sewentigerjare het daar ook egte elektroniese horlosies op die mark verskyn, met nog minder bewegende dele; hulle is voorsien van 'n kwartskristal wat deur 'n elektriese ossillator teen sy eie trillingsfrekwensie aangedryf word.
Kwarts- en atoomhorlosies
In die wetenskap en tegnologie word meer akkuraatheid en stabiliteit vereis van die wyse waarop tyd gehou word as wat meganiese horlosies kan verskaf. Tydsverloop vind gelykmatig plaas en kan gemeet word deur dit met 'n meetbare interval (tussenpose) te vergelyk wat met 'n presiese frekwensie (ritme) herhaal word. 'n Meganiese horlosie veroorsaak 'n beweging wat herhaal en afgetel word, maar die meganisme daarvan word deur te veel faktore, soos wrywing tussen die ratwerk en die meganiese traagheid daarvan, beïnvloed om die beweging akkuraat te herhaal. 'n Kwartskristal met die vermoë om trillingsaksie akkuraat te herhaal, verskaf 'n betroubaarder standaard waarmee tydsverloop vergelyk kan word.
Die pieso-elektriese eienskappe van die kristal, waardeur 'n klein elektriese spanning oor die kristal ontstaan as druk daarop toegepas word, maak dit moontlik om die kristal in 'n elektroniese stroomkring te gebruik waarmee 'n elektroniese horlosie gebou kan word. 'n Kristal wat tussen twee plaatjies geplaas word, het 'n tweeledige eienskap. Fisieke druk wat op die kristal uitgeoefen word, sal 'n spanning oor die kristal tussen die plaatjies laat ontstaan; en omgekeerd sal 'n elektriese spanning wat op die kristal aangelê word, dit laat reageer asof druk daarop uitgeoefen word. Die reaksie van die kristal laat dit voorkom of dit inkrimp en uitswel (vervorm) wanneer 'n spanning eers aangelê en dan weer verwyder word.
Deur dit te koppel aan 'n spanning wat aanhoudend verander, sal die kristal aanhoudend reageer in ooreenstemming met die frekwensie van die verandering, en die reaksie vind so reëlmatig plaas dat dit as 'n verwysing met 'n hoë mate van presiesheid gebruik kan word. 'n Spanning wat aanhoudend verander, word deur 'n ossillator ontwikkel en 'n kristal wat aan 'n ossillator gekoppel word, sal begin tril teen die frekwensie van die ossillator; en daarna, as gevolg van die kristal se natuurlike reaksie, word die ossillator gedwing om teen die kristal se eie trillingsnelheid te ossilleer. Die trillingsfrekwensie van 'n kristal is omgekeerd eweredig aan sy afmetings, wat beteken dat hoe groter die kristal is, hoe laer is sy frekwensie.
Frekwensies van 100 kHz en 10 MHz word oor die algemeen vir ossillators in horlosies gebruik. Die frekwensie wat in siklusse per sekonde gemeet word, word met behulp van 'n elektroniese frekwensiedeler verdeel en verminder tot die vereiste getal siklusse per sekonde, waarmee 'n sinchrone motortjie aangedryf word wat die wysers van die horlosie laat beweeg. Horlosies met kwartskristalle daarin is baie akkuraat en dit is nie ongewoon dat 'n gewone polshorlosie afwykings van hoogstens een sekonde of minder per maand toon nie. Moderne horlosies dui ook nie net meer die tyd met wysers aan nie; maar wel met syfers. Die syfers word vertoon met LED's of LCD's, 'n LED (light emitting diode) lyk soos 'n klein ligkolletjie en 'n syfer word met 'n gerangskikte aantal kolletjies voorgestel. LCD's (liquid crystal displays) bestaan uit kristalle wat verkleur as 'n elektriese spanning daarop aangelê word en dit word veral gebruik om swart syfers te vorm.
Die kristal in 'n ossillator is gevoelig vir temperatuur en word in 'n spesiale omhulsel verpak wat die temperatuur van die kristal konstant hou. Enige ander moontlike onbetroubaarheid kan veroorsaak word deur die elektroniese komponente wat saam met die kristal in die horlosies gebruik word. 'n Verstelling word gewoonlik voorsien waarmee die frekwensie reggestel kan word as dit verander (dryf). Nog groter noukeurigheid kan bereik word met behulp van 'n atoomhorlosie, waar ook 'n trillingsfrekwensie ontwikkel word en die akkuraatheid en stabiliteit van die herhaling van die siklusse bepaal word deur energietoestande in 'n atoom. Die natuurlike frekwensie waarteen 'n atoom energie opneem of afstaan, hang grotendeels af van die omstandighede bulte die atoom, en daarom sal die frekwensie stabiel bly. Die beginsel van die atoomhorlosie is min of meer dieselfde as dié van 'n kwartshorlosie, naamlik dat 'n trilling deur 'n frekwensie afkomstig van 'n ossillator opgewek word, en die ossillator deur die ontwikkelde trilling gedwing word om die siklusse akkuraat te herhaal. Die element sesium se trillingsfrekwensie, wat afkomstig is van sy atome, word die meeste gebruik as frekwensiestandaard.
Die herhaling van siklusse in die sesiumatoomhorlosie vind plaas teen 9 192,631 770 MHz (dit is 9 192 631 770 keer per sekonde) en in 1967 is internasionaal ooreengekom om dit te gebruik as definisie vir die atoomsekonde. Die trillings afkomstig van sesiumatome ontstaan in 'n trilholte wat in werklikheid 'n houer met sesiumgas daarin is. Die trillings van die gasatome word aan die gang gesit met 'n ossillator wat aan elektrodes verbind is, met die elektrodes in die trilholte. Die gas word daarna deur 'n buis herlei en gerig op 'n sensor wat gevoelig is vir trillings. Die sensor meet die frekwensie van die trillings en is direk gekoppel aan die ossillator sodat dit die ossillator kan dwing om dieselfde frekwensie te handhaaf.
Die rubidiumatoomhorlosie bestaan uit 'n sel met rubidiumdamp daarin en elektromagnete buite om die sel. 'n Ossillator word aan die magnete gekoppel, waarna 'n ligstraal op die damp in die sel gerig word om op 'n liggevoelige sensor te val. Die intensiteit van die lig word deur die trillings van die atome min die rubidiumgas bepaal en deur die sensor gemeet. Die sensor is weer eens aan die ossillator gekoppel om dit te dwing om teen dieselfde frekwensie as die atome te ossilleer, wat in die geval 6 834,682608 MHz beloop. Die atome van waterstof, tallium, magnesium en stowwe soos ammoniak en bariumoksied verskaf eweneens akkurate trillings. Die frekwensies afkomstig van atome word soos dié van kwarts verminder om op die konvensionele manier as tyd met wysers of syfervertone aangedui te word.
Atoomhorlosies is te duur vir algemene gebruik en word as 'n sentrale verwysing vir telefoon-, radio- en televisietydseine gebruik. Jare gelede het telefoonsentrales die tyd deurlopend aangedui wanneer sekere telefoonnommers geskakel is; dit was akkuraat tot ongeveer 0,1 sekonde. Radiosenders van kommersiële stasies saai die tyd uit en wyk tot so min as 0,1 sekonde af. Spesiale tydsenders wat onder meer in plekke soos Rugby, Droitwich (Engeland) en Prangins (Switserland) staan, saai die tyd met 'n pieptoon uit. Hierdie seine wyk slegs met tien duisendstes tot een miljoenste van 'n sekonde af. Die Loran-C-sender saai 'n gekodeerde sein vir navigasiedoeleindes uit en is akkuraat tot minder as een miljoenste van 'n sekonde. Verder is daar 'n langgolfsender, Omega, en satellietsenders wat om die aarde wentel met atoomhorlosies aan boord wat die tyd uitsend. Televisiesenders vertoon die tyd in syfers, of andersins op die skerms van televisie-ontvangstelle.
Horlosienywerheid
Aanvanklik was die horlosienywerheid gekonsentreer in die gebied tussen die stede Venesië, Wenen, Augsburg en Innsbruck, maar gedurende die 15de eeu het hierdie nywerheid oor die hele Europa versprei, waar duidelike horlosiesentra ontstaan het. Italië het sy leidende posisie verloor, terwyl horlosiemakery gedurende die 16de en 17de eeu 'n bloeiende nywerheid in Duitsland geword het. Gildes is gestig en besondere streng gehaltestandaarde is ingestel.
Hierdie Duitsegildes se eise was so hoog dat dit aan die einde van die 17de eeu tot 'n verstarring in die nywerheid gelei het. Ander lande soos Engeland, Frankryk en Nederland het toe 'n kans gekry om tot die horlosienywerheid toe te tree. Gedurende die 19de eeu het Engeland die botoon gevoer, maar aan die einde van dieselfde eeu het die Switsers die Europese mark oorheers. Nederland het 'n kort bloeityd beleef maar het ná 1800 geheel en al van die toneel verdwyn. Switserland het hierna die belangrikste horlosievervaardiger geword (ongeveer 35 % tot 40 % van die wêreldproduksie), gevolg deur Japan, Rusland, die VSA en Frankryk. Die opkoms van kwartshorlosies met digitale vertoon het die Switserse horlosienywerheid nadelig beïnvloed, omdat die Switsers hulself nie soos die Japanners op die elektronika toegespits het nie.
