Entwicklung der Zeitmessung
Schon im Altertum wurde mithilfe von Sonnenuhren die Zeit gemessen.
Viele Jahrhunderte lang wurden Wasser- und Sanduhren als Zeitmesser genutzt.
Entscheidende Fortschritte wurden im 16. Und 17. Jahrhundert mit der Konstruktion der ersten mechanischen Uhren (Nürnberger Ei von PETER HENLEIN) und der Nutzung von Pendelschwingungen für Uhren (HUYGENS, HOOKE) erzielt.
1929 wurde die erste Quarzuhr gebaut, 1948 die erste Atomuhr. Bei diesen Uhren tritt in 200 000 Jahren eine Abweichung von weniger als einer Sekunde auf. Über Atomuhren werden auch die Funkuhren gesteuert, die man als Wecker oder Armbanduhren kaufen kann.
Die ersten Uhren
Die ältesten bekannten Uhren zur Zeitmessung sind Sonnenuhren. Man findet sie heute in den verschiedensten Varianten an Gebäuden oder in Parks.
Viele Jahrhunderte hindurch wurden auch Wasseruhren oder Sanduhren genutzt, bei denen man eine fließende Wasser- und Sandmenge für die Zeitmessung verwendet. Solche Uhren wurden ständig verbessert mit dem Ziel, die Genauigkeit der Zeitmessungen zu erhöhen. Dabei nutzte man auch schon Räderwerke.
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Sonnenuhr
Erste mechanische Uhren
Die ersten bekannten mechanischen Uhren aus dem 14. Jahrhundert besaßen ebenfalls Räderwerke, die durch große Gewichte angetrieben wurden. Solche Uhren hatten mitunter auch eine Steuereinrichtung, die "Hemmung", die den Gang einer Uhr steuerte.
Im 16. Jahrhundert wurden die ersten tragbaren Taschenuhren entwickelt. So baute um 1512 der Nürnberger Schlosser PETER HENLEIN (1479-1542) eine Taschenuhr, die wegen ihrer Form als "Nürnberger Ei" bezeichnet wurden. Als Antrieb für diese Taschenuhr wurden kleine Spiralfedern genutzt.
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Nürnberger Ei
Pendeluhren
Einer, der wesentlich zur Verbesserung der Uhren beigetragen hat, war der Holländer CHRISTIAAN HUYGENS (1629-1695). Aus eigenen astronomischen Untersuchungen wusste er um die Notwendigkeit genauerer Uhren. Mithilfe der mechanischen Schwingungen eines Pendels entwickelte Huygens die Genauigkeit von Uhren weiter. Dabei konnte er sich auf physikalische Arbeiten von GALILEO GALILEI (1564-1642) stützen. GALILEI hatte erkannt, dass die Periodendauer (Schwingungsdauer) eines Pendels unabhängig von der Masse des Pendelkörpers ist. Er nahm auch an, dass die Periodendauer unabhängig von der Amplitude der Schwingung ist. Dies gilt jedoch nur für kleine Auslenkungen, also für kleine Amplituden. HUYGENS erkannte diesen Irrtum GALILEIs und entwickelte eine Formel für die Periodendauer von verschiedenen Pendeln mit beliebigen Amplituden. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse konstruierte HUYGENS 1656 eine Pendeluhr, in der er das bekannte Räderuhrwerk mit einem Pendel koppelte. 1657 erhielt er für diese geniale Idee ein Patent. Die von ihm gebaute Schiffspendeluhr setzte sich aber nicht durch.
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Pendeluhr von Christiaan Huygens
1674 konstruierte HUYGENS unabhängig von dem Engländer ROBERT HOOKE (1635-1703) eine Taschenuhr mit einer Spiralfeder als Unruh, die ebenfalls mechanische Schwingungen ausführte. Die Genauigkeit der mechanischen Uhren wurde in den nächsten Jahrzehnten immer weiter verbessert. Die physikalischen Prinzipien, auf denen sie beruhten, die mechanischen Schwingungen, blieben die gleichen.
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Uhr mit Unruh: Zur Steuerung der Uhr werden mechanische Schwingungen genutzt.
Quarzuhren und Atomuhren
Erst im 20. Jahrhundert wurden elektrische Uhren entwickelt, die elektromagnetische Schwingungen nutzen. 1929 wurde in den USA die erste Quarzuhr, in der ein Quarzkristall schwingt, gebaut. Quarzuhren hoher Genauigkeit wurden 1932 auch von den deutschen Physikern SCHEIBE und ADELSBERGER in der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin entwickelt.
Eine noch größere Genauigkeit als Quarzuhren weisen Atomuhren auf, bei denen der Gang von Schwingungen in Atomen gesteuert wird. Die erste Atomuhr wurde 1948 für das National Bureau of Standards, das nationale amerikanische Normungsinstitut, gebaut. Eine der genauesten Atomuhren befindet sich in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Die neuesten Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt vom Typ CSF-1 weisen eine Gangunsicherheit von einer Sekunde in dreißig Millionen Jahren auf. Damit diese Zeit nicht mehr als 0,75 s von der Zeit in Greenwich (UT) abweicht, die aus astronomischen Messungen der Erdrotation abgeleitet wird, werden hin und wieder Schaltsekunden eingefügt. Diese Korrekturen werden am 30. Juni und am 31. Dezember durchgeführt.
Durch Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt werden über einen Sender in Mainflingen bei Frankfurt (Main) auch die Funkuhren gesteuert, die man als Wecker, Armbanduhren oder Wanduhren kaufen kann. Dieser Sender hat eine Leistung von etwa 30 kW. Das Signal wird im Langwellenbereich mit einer Frequenz von 77,5 kHz abgestrahlt und ist in einem Umkreis von etwa 2.000 km zu empfangen.
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Atomuhr in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig
