mechanische Uhr

Mechanische Uhren reparieren

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Verfahren der Zeitmessung
Wasser- und Sanduhren
Mechanische Räderuhren
Elektrische Uhren
Atomuhren
Begriffe, Definitionen
Abkürzungen
Verfahren der Zeitmessung
Zeit kann auf viele Arten gemessen werden. In der Geschichte der Menschheit wurden z.B. benutzt:

Puls, Herzschlag
Fortlaufendes Singen oder Rezitieren von Gebeten (alte niederbaierische Bäuerinnen kennen noch die Regel, daß Eier zum Hartkochen 5 Vaterunser brauchen)
gleichmäßig fallende Wassertropfen
rinnender Sand
Gewichtsantrieb mit und ohne Ganghemmung
mechanische Aufzugswerke
mechanischer Kugellauf auf Bahnen
Abbrenngeschwindigkeit von Kerzen
elektromagnetische Effekte
elektrostatische / dynamische Effekte
mechanische Biegeschwingungen (Federpendel, Quarzschwinger)
elektromagnetische Schwingungen, Resonanzen (Atomuhr)
Man sieht: dem Erfindungsreichtum sind kaum Grenzen gesetzt.

Anfänge
nn

 Uhren
Uhren sind eine Erfindung der Antike. Sie sahen nicht wie unsere Uhren aus, sondern nutzten andere Prinzipien, um die Zeit zu messen.


Chinesische Uhren
xxx Needham

Wasser- und Sanduhren
Die Funktionsweise von Wasser- und Sanduhren beruht auf der Tatsache, daß in gleichen Zeiten gleiche Materialmengen aus einer kleinen Öffnung in einen genügend großen Vorratsbehälter ausrinnen. Die Köpfe der Antike waren sich der Mängel dieser Uhren wohl bewußt. Zum einen waren nur Relativzeitmessungen möglich, zum anderen war die Durchflußmenge von der Füllhöhe im Gefäß abhängig, so daß doppelte durchgeflossenen (Füll-)Menge nicht automatisch doppelte verstrichene Zeit bedeutete. Ein Teil dieser Mängel konnte durch Schwimmermechanismen behoben werden.

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Wasseruhr Chlepsydra

 Mechanische Räderuhren
Mechanische Uhren, die sich gleichmäßige, wiederholende physikalische Vorgänge zunutze machen, wurden erst in der Renaissance entwickelt. Erste Räderuhren stammen aus der Zeit um 1300 und gingen anfangs nicht genauer als Wasseruhren. Eine Eigenart der frühen mitteleuropäischen Zeitmessung war die Einteilung der hellen Zeit des Tages in 12 Stunden. Im Sommer waren deshalb die Stunden lang, im Winter kurz. Auch das stellte keine gravierende Einschränkung dar, denn wenn der Tag kurz war, mußte die Arbeit entsprechend schneller erledigt werden - die Dauer der Stunden ist davon unabhängig.


Mechanische Uhr von 13xx

Der Wunsch nach genauerer Zeitmessung entstand nicht zuletzt durch die strikten Regeln des Klosterlebens. Die Einhaltung der Zeitpunkte für die verschiedenen Tätigkeiten erforderte präzisere Uhren als die herkömmlichen Werke, die vom Grobschmied angefertigt wurden.

Galileo Galilei beobachtete als erster, daß die Schwingungsdauer eines Pendels nur von der Länge, nicht aber von der Pendelmasse und dem Ausschlag abhängt (was nicht ganz richtig ist, aber dennoch einen gewaltigen Fortschritt darstellte). Erste Pendeluhren gingen schon mal eine halbe Stunde pro Tag falsch. Keinen hat es gekümmert, zumal frühe Uhren lediglich nur einen globschächtigen Stundenzeiger hatten. Der Nachtwächter durfte die Zeit ausrufen und wenn er sich mal eine Viertelstunde heiser geschrien hatte, konnte er getrost die nächste volle Stunde abwarten.

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Rekonstruktion von
Galileis Pendeluhr
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 Präzisionsuhren
Orstfest montierte oder aufgestellte mechanische Pendeluhren um 1750 waren einigermaßen genau. Taschenuhren für unterwegs konnten mit dieser Genauigkeit nicht mithalten. Selbst sorgfältig regulierte mechanische Werke waren jedoch viel zu ungenau, wollte man sie zur Positionsbestimmung auf hoher See benutzen. Die englische Kriegsmarine verlor in der Zeit bis 17xx viele Schiffe und Menschenleben, nur weil sie durch ungenaue Navigation auf Grund liefen oder sich derart verfuhren, daß sie letztendlich scheiterten. 17xx war die Situation so unerträglich geworden, daß John Flamsteed, erster Astronom der englischen Krone, die Gründung eines königlichen Observatoriums vorschlug und in der Folgezeit einen Preis auslobte. Der Preis sollte an denjenigen gehen, dem es gelang, eine verläßliche Methode zu finden, um ein Schiff auf einer Reise nach Neuengland um max. 1 Bogensekunde falsch zu navigieren. In der Folgezeit wurden viele Vorschläge eingereicht, darunter auch ziemlich absurde. Letzlich wurden nur noch zwei Hauptwege verfolgt:

Astromonische Verfahren, die sich die Mondposition oder die Bedeckungen der Jupitermode zunutze machten. Danach waren verwickelte und fehleranfällige Berechnungen notwendig, um die Position zu bestimmen. Die Methode ist auf Schiffen, besonders bei bedecktem Himmel, wenig praktikabel. Da sie aber schön akademisch war, wurde sie von den königlichen Astronomen und Mathematikern favorisiert.
Bau einer schiffstauglichen Präzisionsuhr, die unbeschadet eine Reise nach Neu-England und zurück überstand und dabei um nicht mehr als 1 Sekunde falsch ging. Eine Herausforderung, die unerhört war, denn Uhren dieser Präzision waren jenseits des technisch Vorstellbaren. Diese Lösung wurde von den Seefahrern bevorzugt, denn sie ist einfach und vom Wetter unabhängig.
John Harrison (), autodidaktischer Uhrmacher, stellte sich dieser Aufgabe und widmete ihr sein ganzes Leben. Eine Mischung aus eigenem Perfektionsstreben, Intrigen der königlichen Wissenschaftler und ständige Behinderungen durch immer neue Auflagen zur Erringung des Preisgeldes führten dazu, daß Harrison seiner Uhren beraubt wurde und erst an seinem Lebensabend durch Intervention des englischen Königs einen Teil des Preisgeldes erringen konnte.

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John Harrisons H1

Moderne mechanische Präzisionsuhren wurden bis in die 1950er Jahre gebaut. Hier sind insbsondere die Werke der Schweier Firma Riefler hervorzuheben, die den technisch brillianten Schluß- und Höhepunkt einer langen Entwicklung darstellen.

 Elektrische Uhren
Frühe, sogenannte "elektrische Uhren" waren mechanische Uhren, die einen elektromagnetischen Mechanismus benutzten, um das gangbestimmenden Pendel in Bewegung zu halten bzw. mit einer Normalfrequenz zu synchronisieren.

 Elektromagnetische Steuerung
Die elektromagnetische Steuerung setzte sich ab ca. 1880 für Präzisionspendeluhren durch. Im Gegensatz zu anderen Verfahren hat die elektromagnetische Steuerung den Vorteil, mechanisch kontaklos zu arbeiten und damit den störenden Einfluß von Reibungskräften zu vermindern.

 Quarzuhren
Quarzuhren basieren darauf, daß ein Quarz, der geeignet geschnitten und metallisiert wird, elektrisch zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann. Diese Schwingungen können elektrisch abgegriffen werden. Die Schwingungsfrequenz ist sehr zeitkonstant, so daß Quarze eine ideale Zeitbasis darstellen. Durch digitale Teilerketten und geeignete Anzeigevorrichtungen können Uhren verwirklicht werden. Da der Quarz geringfügig in seiner Frequenz beeinflußt werden kann, eignen sich Quarzuhren dafür, mit einer externen Atomuhr synchronisiert zu werden. Auf diese Weise lassen sich Gangungenauigkeiten so gut ausschließen, daß Quarzuhren für alle praktischen Zwecke ausreichend genau sind.

 Atomuhren
Cäsium-Frequenznormal

Rubidium-Frequenznormal

Primär- und Sekundär-Frequenznormale

Im Jahre 196x wurde die Definition der Sekunde geändert. Bezog sich die Festlegung früher auf astronomische Bedingungen (Erdrotation, Weg der Erde um die Sonne), wurde nun anders vorgegangen.

 Definition
 bis 196x      aaa
vgl. D'Ans/Lax: Taschenbuch für Physiker und Chemiker
 Definition
 ab 196x     bbb


 Standardzeit
Bis zu einer weltweit vereinheitlichten Zeitrechnung war es ein langer und steiniger Weg. Da der Mensch aufgrund seines beschränkten Horizonts (Lieblingsthema!) geneigt ist, sich selbst als den Mittelpunkt der Welt zu betrachten, legten Nationen ihren Nullmeridian durch ihre Hauptstädte und damit indirekt auch den Bezugspunkt für ihre Zeitrechnung. Der Nullmeridian ging folglich gleichzeitig durch Paris, London, Berlin, Lissanbon, Athen, und noch ein Dutzend anderer Städte, was das Geschick der Navigatoren herausforderte.

In Deutschland hatte jedes Land, jede Gemeinde, die eigene lokale Zeit, auf der sie beharrte. Von einer standardisierten "mitteleropäischen Zeit" keine Spur. Erst die Eisenbahn und die beginnende Industrialisierung litten unter dem anwachsenden Chaos so sehr, daß über eine Standardzeit nachgedacht wurde. Die ersten Impulse zur Standardisierung gingen von der neuen Welt aus: USA und Kanada haben eine weitaus größere Ausdehnung und der Mangel einer normalisierten Zeitrechnung behinderte das Eisenbahn- und Transportwesen so massiv, daß sehr laut nach Abhilfe gerufen wurde. 1873 beschloß eine Zeit- und Maßkonferenz, den Nullmeridian durch das Observatorium von Greenwich zu legen, und damit auch die Bezugszeit, nach der sich alle anderen Zeitrechnungen ermitteln lassen.

 Die Zeitzonen
Zeitzonen sind eine reine Definitionssache. Die Grundidee ist, den Umfang der Erde in Abschnitte von je 15° Länge zu teilen und jedem dieser Abschnitte eine vereinheitlichte Zeit zuzuordnen. Die lokale Zeit wird zugunsten einer normierten Zeit aufgegeben, was den praktischen Bedürfnissen zugute kommt. Landesgrenzen und Konturen der Kontinente sind in den seltensten Fällen konform zu den Grenzen der Zeitzonen. Deshalb werden die Zonen diesen Konturen angepaßt, um zumindest innerhalb einer geographisch oder politisch zusammengehörigen Region eine vereinheitlichte Zeitrechnung zu haben.

 Atomzeitbasis
Seit 1986 ist die Basis der internationalen Zeitrechnung nicht mehr die Standardzeit von Greenwich (GMT), sondern die dem Satellitennavigationssystem GPS zugrundeliegende Zeitbasis UTC = Universal Time Coordinated. Sie stellt derzeit die genaueste öffentlich zugängliche Zeitbasis dar. Bei diesem Verfahren synchronisiert eine terrestrische Basisuhr die Atomuhren von derzeit 28 Satelliten, die untereinander ebenfalls synchronisiert sind.
Für Deutschland ist die Zeitbasis der PTA (=Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Braumschweig die verbindliche Normalzeitbasis. Die Zeitzeichen werden über den Langwellensender DCF77 versendet und können zum Synchronisieren von Uhren genutzt werden.

 Schaltsekunden
Mit der Einführung der Atomzeit und der immer genaueren Zeitmessung machte sich ein Effekt bemerkbar, der bislang ignoriert wurde: Die Rotationsgeschwindigkeit der Erde ist nicht ganz gleichmäßig. Deswegen müssen Schaltsekunden eingeschoben werden, um die astromische Gegebenheit in der Zeitrechnung zu berücksichtigen. Schaltsekunden werden üblicherweise beim Jahreswechsel berücksichtigt. Die UTC ist davon nicht betroffen, da es hier ziemlich sinnlos wäre, Schaltsekunden einzuschieben. Warum das? Wir erinnern uns: die Basis der UTC ist seit einiger Zeit eine Anzahl von Satelliten, die über synchronisierte, hochgenaue Atomuhren verfügen. Ihre Signale müssen verläßlich die Zeit wiederspiegeln, da aus den Laufzeitunterschieden der empfangenen Satellitenkennungen das GPS-Navigationssystem seine Ortsbestimmung herleitet. Schaltsekunden würden deshalb zu unerwünschten Sprüngen in der Positionsbestimmung führen. Das alternativ mögliche Aktualisieren der Empfängersoftware kann aus naheliegenden Gründen nicht als ernsthafte Alternative in Betracht kommen.

 Abkürzungen
Abk. Bedeutung
GMT Greenwich Mean Time = UTC -11s
MEZ Mitteleuropäische Zeit = GMT+1h
CET Central European Time = MEZ
EST Eastern Standard Time = GMT-5h
UTC Universal Time Coordinated
PST Pacific Standard Time = GMT-9h
 
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Definitionen, Begriffe
Begriff Erklärung
Äquinoktie Tagundnachtgleiche. Es gibt eine im Frühjahr (um den 21.März) und eine im Herbst (um den 21.September)
Soltitium Sonnenwende. Wintersonnenwende um den 21.Dezember, Sommersonnenwende um den 21.Juni
Präzession
Saruszyklus 
tropisches Jahr 
siderisches Jahr
wahrer Mittag 
mittlere Ortszeit 
Sternzeit
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