Zegar

Zegar na ratuszu w Kłodzku

Zegar astronomiczny we Wrocławiu

Ankeruhr w Wiedniu

Orloj w Pradze

Zegar słoneczny

Mechanizm zegara na Bramie Krakowskiej w Lublinie

Zegarek kieszonkowy

Zegarek naręczny

Pierwszy zegarek synchronizowany falami radiowymi, Junghans mega (analog)

Zegar – przyrząd do ciągłego pomiaru i wskazywania czasu. W sensie technicznym zegar łączy zjawisko o możliwie stałym okresie z układem zliczającym i przedstawiającym kolejne jednostki czasu. Nie każdy zegar jest jednak w pełni autonomicznym czasomierzem: w praktyce część urządzeń sama wytwarza i zlicza własny wzorzec czasu, a część działa głównie jako wskaźnik albo sterownik podporządkowany większemu systemowi synchronizacji. Rozwój zegarów prowadził od urządzeń wykorzystujących ruch Słońca albo przepływ wody i piasku, przez zegary mechaniczne i wahadłowe, do zegarów elektrycznych, kwarcowych, synchronizowanych radiowo i atomowych. W języku codziennym od zegara odróżnia się zwykle zegarek, czyli osobisty, przenośny czasomierz.

Przez większą część dziejów zegar był zarazem narzędziem technicznym i urządzeniem społecznym: porządkował rytm modlitw, pracy, transportu i życia miejskiego, a z czasem stał się też elementem infrastruktury naukowej, telekomunikacyjnej i informatycznej. W zależności od konstrukcji może działać jako autonomiczny czasomierz, zegar podrzędny synchronizowany zewnętrznie albo część większego systemu rozsyłania czasu.

Zegary klasyfikuje się według mechanizmu działania, sposobu prezentacji wskazań i funkcji. Obejmuje to zarówno zegary słoneczne, wodne, mechaniczne, kwarcowe i atomowe, jak i zegary analogowe, cyfrowe, radiowe, astronomiczne, systemowe czy sterujące, obecne od wielkich zegarów publicznych po ukryte układy taktujące urządzeń elektronicznych.

Etymologia

Polskie słowo zegar jest zapożyczeniem ze średnio-wysoko-niemieckiego seigære i pierwotnie odnosiło się do urządzenia, w którym woda lub piasek opadają bądź przesączają się w sposób miarowy, czyli do klepsydry albo zegara wodnego. Dawne związki tego wyrazu z wyobrażeniem „cieknięcia” czasu zachowały się jeszcze w staropolszczyźnie, w której o zegarze mówiono, że „ciecze”, a nie że „idzie”. Dla porównania, w wielu językach Europy Zachodniej odpowiedniki nazwy zegara wywodzą się od słów oznaczających dzwon, co dobrze współgra z faktem, że wczesne zegary mechaniczne przez długi czas przede wszystkim wybijały godziny, zanim rozpowszechniły się tarcze przeznaczone do wygodnego indywidualnego odczytu czasu.

Rodzaje zegarów

Zegary można klasyfikować według zasady działania, sposobu prezentacji czasu albo przeznaczenia.

Ze względu na zasadę działania wyróżnia się między innymi:

• zegary wykorzystujące zjawiska naturalne lub proste procesy fizyczne, takie jak zegar słoneczny, zegar wodny czy klepsydra
• zegary mechaniczne, w tym zegary mechaniczne, wahadłowe i balansowe
• zegary elektryczne i elektromechaniczne, rozpowszechnione od XIX i XX wieku
• zegary elektroniczne, zwłaszcza kwarcowe, cyfrowe i synchronizowane radiowo
• zegary atomowe, używane w metrologii, nawigacji satelitarnej i nauce.

Ze względu na sposób prezentacji czasu wyróżnia się przede wszystkim zegary analogowe i cyfrowe. Obok nich spotyka się także konstrukcje hybrydowe, łączące wskazówki z wyświetlaczem liczbowym, oraz zegary specjalne, na przykład dźwiękowe, dotykowe albo projekcyjne, przeznaczone do konkretnych zastosowań lub potrzeb użytkowników.

Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się między innymi zegary publiczne, domowe i osobiste, a także urządzenia wyspecjalizowane, takie jak zegary astronomiczne, wieżowe, dworcowe, budziki, stopery, zegary szachowe czy zegary systemowe w urządzeniach elektronicznych. W miejscach publicznych często stosuje się zegary z wieloma tarczami lub wyświetlaczami, aby ten sam czas był widoczny z kilku kierunków albo w kilku strefach czasowych.

Do odmian wyspecjalizowanych zalicza się także zegary rejestrujące i kontrolne, używane do ewidencji pracy, sterowania procesami albo dokumentowania przebiegu zdarzeń, a także konstrukcje przeznaczone dla osób niewidomych i słabowidzących, w których czas odczytuje się dotykiem albo przez komunikat głosowy.

Budowa i działanie

Elementy podstawowe

Niezależnie od konstrukcji typowy zegar składa się z kilku podstawowych elementów:

• źródła energii, na przykład obciążnika, sprężyny, baterii albo zasilania sieciowego
• układu regulującego tempo pracy, takiego jak wahadło, balans, oscylator kwarcowy albo rezonans atomowy
• mechanizmu zliczającego kolejne okresy drgań i przeliczającego je na sekundy, minuty oraz godziny
• układu wskazującego lub zapisującego czas, na przykład tarczy ze wskazówkami, wyświetlacza albo sygnału dźwiękowego.

W nowoczesnym ujęciu elementem odmierzającym czas jest oscylator harmoniczny, czyli układ wykonujący powtarzalne drgania o możliwie stałej częstotliwości. W zegarach mechanicznych rolę tę pełnią zwykle wahadło albo balans, w zegarach kwarcowych rezonator kwarcowy, a w atomowych przejścia energetyczne atomów będące wzorcem sekundy. Wahadło najlepiej sprawdza się w zegarach stacjonarnych, natomiast w zegarach przenośnych jego rolę przejmuje balans ze sprężyną włosową, mniej wrażliwy na zmianę położenia urządzenia. W zegarach mechanicznych ważną rolę pełni także wychwyt, który przekazuje energię do regulatora chodu i dozuje ruch przekładni. W zegarach elektronicznych podobną funkcję spełnia układ elektroniczny zliczający impulsy oscylatora.

Typowy zegar działa więc jako układ złożony z oscylatora, elementu podtrzymującego jego drgania, licznika przeliczającego kolejne impulsy na jednostki czasu oraz wskaźnika przedstawiającego wynik w postaci tarczy, cyfr albo sygnału dźwiękowego.

Napęd, regulator i układ wskazań

Sam oscylator nie wystarcza jednak do działania zegara. Potrzebny jest jeszcze układ sterujący, który z jednej strony uzupełnia straty energii i utrzymuje drgania regulatora, a z drugiej zamienia je na serię uporządkowanych impulsów możliwych do zliczania. W zegarach mechanicznych funkcję tę pełni wychwyt, przekazujący niewielkie porcje energii wahadłu albo balansowi i jednocześnie uwalniający ruch przekładni skokami. W zegarach elektronicznych podobną rolę odgrywa układ wzmacniający i formujący sygnał oscylatora, a w atomowych bardziej złożony układ sprzężenia zwrotnego dostrajający generator do częstotliwości przejścia atomowego.

W klasycznym zegarze mechanicznym można wyróżnić zasobnik energii w postaci obciążnika albo sprężyny, przekładnię zębatą przenoszącą ruch, wychwyt współpracujący z regulatorem chodu oraz układ wskazań. W wielu zegarach publicznych i domowych dochodzi do tego także mechanizm bicia, kurantu albo prostego automatu, uruchamiany o określonych porach. Często oznacza to częściowe rozdzielenie funkcji w obrębie jednego urządzenia: jeden tor mechanizmu odpowiada za stały chód i wskazania, a drugi za wybijanie godzin, półgodzin albo uruchamianie dodatkowych efektów dźwiękowych i ruchomych.

W obrębie tej samej rodziny mechanicznej występują jednak istotne różnice konstrukcyjne. Najdawniejsze duże zegary wieżowe były zwykle napędzane ciężarami i projektowane raczej do pracy stacjonarnej niż do przenoszenia, natomiast zegary sprężynowe pozwoliły zmniejszyć mechanizm i umieścić go w zegarach stołowych, kominkowych czy kieszonkowych. Napęd sprężynowy nie rozwiązywał jednak automatycznie problemu dokładności, ponieważ siła oddawana przez sprężynę zmienia się w miarę jej rozwijania, więc praktyczne konstrukcje wymagały coraz lepszych rozwiązań regulacyjnych i kompensacyjnych. W zegarach stacjonarnych przełomem okazało się wahadło, a w przenośnych balans ze sprężyną włosową; oba te układy umożliwiły znacznie równiejszy chód niż wcześniejsze regulatory współpracujące z wychwytem wrzecionowym. Z kolei zegary astronomiczne rozbudowywały podstawowy mechanizm o dodatkowe przekładnie i tarcze pokazujące nie tylko godziny, lecz także fazy Księżyca, położenie Słońca, kalendarz albo święta ruchome.

Sposób dostarczania energii zależy od rodzaju zegara. W konstrukcjach mechanicznych trzeba okresowo magazynować energię w ciężarze albo sprężynie, natomiast w zegarach elektrycznych i elektronicznych rolę tę pełni bateria lub zasilanie sieciowe, czasem z dodatkowym podtrzymaniem na wypadek przerwy w dopływie prądu. Samo źródło energii nie jest jeszcze wzorcem czasu, lecz tylko warunkiem utrzymania ruchu regulatora albo pracy układu elektronicznego.

Między wzorcem częstotliwości a wskaźnikiem działa łańcuch przeliczeń, który sprowadza szybkie drgania do impulsów odpowiadających sekundom, minutom i godzinom. W zegarach mechanicznych funkcję tę pełnią przekładnie i wychwyt, a w zegarach elektronicznych dzielniki częstotliwości oraz układy logiczne. Dzięki temu ten sam stabilny oscylator może sterować nie tylko pojedynczą tarczą, lecz także rozbudowanym układem wyświetlaczy, sygnałów dźwiękowych albo urządzeń wykonawczych.

Mechanizm zliczający musi nie tylko dzielić częstotliwość, ale też przekazywać wynik do układu wskazań i pozwalać na nastawienie poprawnego czasu. W zegarze mechanicznym przekładnia obraca osie wskazówek z odpowiednimi przełożeniami, a zarazem przenosi energię z napędu do regulatora chodu, dlatego potrzebne są rozwiązania umożliwiające ręczne przestawienie wskazań bez zatrzymywania całego układu. W zegarach cyfrowych analogiczną rolę pełnią liczniki i układy nastawcze, które sumują impulsy oscylatora, zapisują aktualny stan czasu i pozwalają go skorygować przez przyciski, pokrętła albo sygnał synchronizujący.

Układ wskazań nie musi przy tym ograniczać się do tarczy ze wskazówkami. Najwcześniejsze zegary mechaniczne przez długi czas przekazywały czas przede wszystkim dźwiękiem, wybijając godziny na dzwonach, a dopiero później coraz częściej łączono tę funkcję z tarczą, wskazówkami, wyświetlaczem liczbowym albo automatem. Część zegarów projektowano więc głównie do wspólnego sygnalizowania czasu z daleka, a nie do precyzyjnego indywidualnego odczytu z niewielkiej tarczy.

Zegary autonomiczne, podrzędne i systemowe

W instalacjach zbiorowych poszczególne tarcze nie zawsze są całkowicie samodzielnymi zegarami. W szkołach, na dworcach, w zakładach pracy i podobnych obiektach jeden zegar główny może rozsyłać impulsy do wielu zegarów podrzędnych, które zachowują wspólny czas nawet wtedy, gdy ich lokalny mechanizm jest uproszczony i służy głównie do prezentacji wskazań.

W takim układzie rola zegara może przesuwać się od zwykłego wskaźnika ku elementowi sterującemu. Ten sam łańcuch odmierzania czasu może uruchamiać dzwonek szkolny, rejestrator czasu pracy, sygnał stacyjny, programator albo inny układ wykonawczy, więc kluczowe staje się nie tylko pokazywanie godziny człowiekowi, ale też wygenerowanie impulsu lub komendy we właściwej chwili.

Nie wszystkie zegary mają więc w pełni autonomiczny wzorzec czasu. W zegarach synchronicznych zasilanych z sieci elektrycznej tempo pracy może zależeć od częstotliwości prądu przemiennego, natomiast zegary radiowe i sieciowe zwykle opierają się na lokalnym oscylatorze kwarcowym, który jest okresowo korygowany przez sygnał zewnętrzny. Część urządzeń pełni wtedy głównie funkcję licznika i wskaźnika, a właściwy wzorzec częstotliwości znajduje się poza samym mechanizmem, w sieci energetycznej, nadajniku czasu albo innej infrastrukturze synchronizacyjnej.

W praktyce oznacza to, że zegar zsynchronizowany z zewnętrznym źródłem nie musi zachowywać idealnej zgodności w każdej sekundzie, by dobrze spełniać swoją funkcję. Klasyczne zegary synchroniczne mogły w krótkim okresie lekko zyskiwać albo tracić wskutek wahań częstotliwości sieci, ale przy odpowiednim prowadzeniu systemu elektroenergetycznego ich błąd długookresowy pozostawał niewielki, bo suma cykli w dłuższym przedziale była utrzymywana blisko wartości nominalnej.

Podstawowe zasady odmierzania czasu

U podstaw każdego zegara leży proces fizyczny albo chemiczny przebiegający możliwie równomiernie. Samo odmierzanie czasu i jego prezentacja są jednak zagadnieniami częściowo odrębnymi: jeden układ dostarcza regularnych zdarzeń lub zmian stanu, a inny przelicza je na godziny, minuty i sekundy oraz przedstawia użytkownikowi w czytelnej formie.

Procesy ciągłe i dyskretne

Do procesów analogowych zalicza się takie zjawiska jak pozorny ruch Słońca wykorzystywany w zegarach słonecznych, jednostajny przepływ wody w zegarach wodnych albo równomierne spalanie świecy w historycznych zegarach ogniowych. Do procesów dyskretnych, czyli zliczanych krok po kroku, należą natomiast drgania wahadła, balansu, kamertonu, rezonatora kwarcowego albo przejścia energetyczne atomów w zegarach atomowych.

W praktyce wiele zegarów łączy oba porządki. Mechaniczny regulator i wychwyt dzielą ruch na kolejne, zliczalne porcje, ale wynik bywa przedstawiany płynnym obrotem wskazówek po tarczy. Z kolei zegar cyfrowy może korzystać z bardzo stabilnego analogowego zjawiska fizycznego jako wzorca częstotliwości, a następnie pokazywać rezultat w postaci liczb. Dlatego sposób wyświetlania czasu nie przesądza sam w sobie o dokładności urządzenia.

Oscylator jako wzorzec czasu

Nie każdy ruch okresowy nadaje się jednak równie dobrze na wzorzec czasu. Szczególną przewagę mają oscylatory harmoniczne, które dzięki rezonansowi dążą do drgań z własną częstotliwością i stosunkowo słabo reagują na drobne zakłócenia. Z tego powodu kolejne przełomy w historii zegarów wiązały się zwykle z wprowadzaniem regulatorów o coraz bardziej stabilnym okresie, od udoskonalonego wahadła i balansu ze sprężyną włosową po kamerton, rezonator kwarcowy i wzorce atomowe.

Znaczenie ma przy tym nie tylko sama powtarzalność ruchu, ale też dobroć rezonansu, czyli to, jak silnie układ faworyzuje własną częstotliwość i jak słabo odpowiada na pobudzenia uboczne. Im wyższa dobroć i częstotliwość pracy oscylatora, tym łatwiej uzyskać wąski, stabilny rytm nadający się do precyzyjnego zliczania. Dlatego w długiej perspektywie rozwój zegarów prowadził od wolniejszych regulatorów mechanicznych do szybszych wzorców kamertonowych, kwarcowych i atomowych.

Najwcześniejsze zegary mechaniczne nie korzystały jeszcze z tak dobrych regulatorów. Przed upowszechnieniem wahadła i sprężyny włosowej stosowano prostsze układy współpracujące z wychwytem wrzecionowym, zwykle z foliorem albo prymitywnym balansem, które nie stanowiły jeszcze tak dobrych oscylatorów harmonicznych jak późniejsze regulatory o wyraźniej określonej częstotliwości własnej. Ich chód był więc znacznie mniej równy i mógł odbiegać od rzeczywistego czasu nawet o bardzo duże wartości w skali doby. Dopiero poprawa stabilności oscylatora, ograniczenie wpływu zmian napędu, temperatury i tarcia oraz udoskonalenie metod regulacji pozwoliły przejść od orientacyjnego odmierzania pór dnia do precyzyjnego pomiaru sekund potrzebnego w nauce, nawigacji i technice.

Sposoby wskazywania czasu

W zegarach analogowych czas przedstawia się zwykle na tarczy za pomocą wskazówek. Najbardziej rozpowszechniona jest tarcza dwunastogodzinna, lecz stosuje się także układy dwudziestoczterogodzinne, spotykane zwłaszcza w zastosowaniach technicznych, wojskowych i transportowych. W tej grupie mieszczą się zarówno klasyczne tarcze kołowe, jak i rozwiązania projektowane pod szczególne warunki odczytu, na przykład układy liniowe albo wielotarczowe stosowane w przestrzeni publicznej.

W zegarach cyfrowych czas ukazuje się jako zmieniające się liczby, najczęściej w notacji 24-godzinnej albo 12-godzinnej z oznaczeniem pory dnia. Spotyka się też rozwiązania pośrednie, na przykład zegary z analogową tarczą i cyfrowym uzupełnieniem wskazań, a także konstrukcje mechaniczne o cyfrowym sposobie prezentacji czasu, w których kolejne cyfry odsłaniają się skokowo zamiast być rysowane ruchem wskazówek.

Spotyka się również zegary przekazujące czas słownie, za pomocą napisów albo podświetlanych wyrazów, oraz układy wielowskaźnikowe, w których jeden mechanizm obsługuje kilka tarcz lub kilka równoległych wskazań. Rozwiązania takie są szczególnie przydatne w przestrzeni publicznej, transporcie i miejscach wymagających odczytu czasu z różnych punktów obserwacji, a także w zegarach światowych pokazujących równocześnie czas w kilku strefach.

Do zegarów wyspecjalizowanych należą również urządzenia przekazujące informację dźwiękowo, dotykowo albo przez projekcję obrazu, co bywa użyteczne w telekomunikacji, w przestrzeni publicznej oraz dla osób z ograniczeniami wzroku. Część zegarów nie ogranicza się do biernego wskazania czasu, lecz wybija godziny, odtwarza zaprogramowany sygnał albo uruchamia alarm o określonej porze, dzięki czemu pełni także funkcję informacyjną i ostrzegawczą. Sposób prezentacji czasu pozostaje przy tym częściowo niezależny od mechanizmu: ten sam układ regulujący może współpracować z tarczą analogową, wyświetlaczem cyfrowym, komunikatem dźwiękowym albo kilkoma formami wskazań naraz.

Historia

Wczesne metody odmierzania czasu

Najstarsze urządzenia do odmierzania czasu opierały się na zjawiskach astronomicznych albo prostych procesach fizycznych. W starożytnym Egipcie stosowano obeliski i zegary cieniowe, później rozwijano zegary słoneczne, wodne i inne przyrządy pozwalające dzielić dobę na mniejsze odcinki. Zegar słoneczny pozostawał jednak zależny od bezpośredniego oświetlenia i od geometrii lokalnej, bo wskazanie wynikało z położenia cienia gnomonu względem odpowiednio wyznaczonej skali. Ich dokładność była ograniczona, ale przez stulecia wystarczały do potrzeb religijnych, administracyjnych i astronomicznych.

Obok urządzeń pokazujących porę dnia istniała też szeroka grupa przyrządów odmierzających przede wszystkim ustalony interwał. Klepsydry, zegary świecowe i kadzidlane nie odnosiły biegu do wspólnego czasu dobowego, lecz do przepływu materiału albo długości spalania, dlatego dobrze nadawały się do kontroli wart, modlitw, mów sądowych, pracy i innych czynności wymagających oceny trwania, a nie znajomości bieżącej godziny. Sama klepsydra wodna mierzyła czas przez stopniowy przepływ cieczy, a klepsydra piaskowa przez przesypywanie materiału sypkiego między dwiema bańkami, więc oba urządzenia były przede wszystkim miernikami interwału, a nie wzorcami wysokiej dokładności dla całej doby.

Zegary wodne i tradycje przedmechaniczne

Istotnym krokiem naprzód były zegary wodne, które pozwalały mierzyć czas także nocą albo przy zachmurzeniu, a więc niezależnie od bezpośredniej obserwacji Słońca. W świecie greckim i rzymskim rozwijano bardziej złożone klepsydry z elementami mechanicznymi, dzwonkami, wskaźnikami i ruchomymi figurami, natomiast w Azji Wschodniej powstawały rozbudowane zegary astronomiczne napędzane wodą. W VIII wieku mnich Yi Xing i urzędnik Liang Lingzan zastosowali wychwyt w napędzie wodnej sfery armilarnej i mechanizmu zegarowego, co uchodzi za jedno z najwcześniejszych znanych użyć takiego rozwiązania w zegarze. Joseph Needham akcentował, że chińska tradycja wodno-astronomiczna połączyła takie rozwiązania z rozbudowaną mechaniką wskazań na długo przed europejskim upowszechnieniem wielkich zegarów miejskich. Jednym z najbardziej znanych przykładów dalszego rozwoju tego nurtu była wieża zegarowa Su Songa z XI wieku, łącząca funkcje obserwacyjne, sygnalizacyjne i reprezentacyjne, a zarazem rozwijająca złożony wodny napęd zegarowo-astronomiczny. Ważnym ośrodkiem rozwoju złożonych zegarów wodnych pozostawał również świat islamu: już na przełomie VIII i IX wieku Harun ar-Raszid podarował Karolowi Wielkiemu rozbudowany zegar wodny, a w XII i XIII wieku Al-Dżazarī konstruował zegary słoniowe, zamkowe i pisarskie, łączące odmierzanie czasu z automatami oraz reprezentacyjnym pokazem kunsztu inżynieryjnego. Ahmad Y. Hassan zaliczał ten nurt do szerszego transferu technik mechanicznych z obszaru islamu do łacińskiego Zachodu.

Jeszcze przed pełnym upowszechnieniem zegarów mechanicznych rozwijano także monumentalne urządzenia łączące funkcje czasomierza, automatu i modelu kosmologicznego. W różnych kręgach kulturowych, od Chin po świat islamu i Europę, budowano zegary publiczne, które nie tylko odmierzały czas, ale też uruchamiały figury, dzwonki albo złożone wskazania astronomiczne. Pokazuje to, że historia zegarów nie była prostym przejściem od prymitywnej klepsydry do mechanizmu wieżowego, lecz długim okresem współistnienia wielu technik i funkcji. Prace Richarda z Wallingford i Giovanniego Dondiego są często przywoływane właśnie jako przykłady zegarów, które działały jednocześnie jako czasomierz, planetarium i model porządku kosmicznego.

Model wieży zegarowej Su Songa, jednego z najbardziej złożonych historycznych zegarów astronomicznych

Zegary mechaniczne średniowiecza i wczesnej nowożytności

Przełomem było pojawienie się wielkich zegarów mechanicznych w późnym średniowieczu. Około XIII i XIV wieku w Europie upowszechniły się konstrukcje napędzane ciężarami, regulowane wychwytem wrzecionowym, początkowo często pozbawione tarczy i służące głównie do wybijania godzin. Carlo M. Cipolla i Gerhard Dohrn-van Rossum podkreślali, że w tej fazie ważniejsza od prywatnego odczytu była funkcja zbiorowego ogłaszania godzin i porządkowania życia wspólnoty. Ich rdzeniem był układ obciążnika, przekładni i wychwytu, który nie dawał jeszcze bardzo równego chodu, ale pozwalał uwolnić odmierzanie czasu od bezpośredniej obserwacji nieba lub przepływu cieczy. Instalowano je przede wszystkim w kościołach, klasztorach, ratuszach i na wieżach, gdzie porządkowały wspólny rytm modlitw, pracy i życia miejskiego, zanim jeszcze stały się powszechnym narzędziem indywidualnego odczytu czasu. We wczesnym okresie ważniejsza od samej tarczy bywała funkcja sygnalizacyjna: dźwięk dzwonu ogłaszał porę nabożeństwa, pracy albo zamknięcia bram, a zegar działał bardziej jako publiczne urządzenie organizujące zbiorowy rytm dnia niż jako osobisty instrument pomiarowy. Równolegle rozwijano bardziej złożone zegary astronomiczne, które nie tylko wskazywały porę dnia, lecz także przedstawiały ruch Słońca, Księżyca, świąt ruchomych, znaki zodiaku albo inne cykle kalendarzowe, łącząc funkcje praktyczne, religijne i naukowe. Czternastowieczne konstrukcje Richarda z Wallingford w St Albans i Giovanniego Dondiego w Padwie pokazują, jak szybko mechaniczny zegar zaczął łączyć zwykłe wskazanie czasu z funkcjami planetarium, kalendarza i narzędzia obserwacyjnego. Tego rodzaju urządzenia bywały zarazem demonstracją kunsztu technicznego i prestiżu fundatora, dlatego często otrzymywały bogaty program ikonograficzny, ruchome figury i rozbudowane wskazania. Około przełomu XV i XVI wieku napęd sprężynowy umożliwił miniaturyzację mechanizmu i rozwój zegarów domowych oraz pierwszych przenośnych czasomierzy. Sprężyna pozwalała uniezależnić zegar od długiego opadania ciężaru, lecz zarazem wymuszała coraz lepszą kontrolę nierównomierności napędu, bo siła rozwijającej się sprężyny nie jest stała. W XV i XVI wieku rozpowszechniły się więc rozwiązania wyrównujące moment napędowy, takie jak fusee i stackfreed, a najstarszy zachowany zegar sprężynowy, wykonany około 1430 dla Filipa Dobrego, pokazuje, że przejście do takich konstrukcji zaczęło się wcześniej niż sugeruje popularne, zbyt uproszczone łączenie ich początków dopiero z Peterem Henleinem i Norymbergą początku XVI wieku. W zegarach stołowych i domowych jeszcze długo dominowała jednak wskazówka godzinowa, a bardziej precyzyjny odczyt minut, a następnie sekund, upowszechnił się dopiero wraz z dalszym rozwojem nowożytnego zegarmistrzostwa oraz wzrostem oczekiwań wobec dokładności codziennego pomiaru czasu.

Rosnąca dokładność i chronometria

W XVII i XVIII wieku doskonalono nie tylko sam regulator chodu, ale też dokładność wykonania przekładni i układów wskazań. Dzięki temu zegar przestawał być wyłącznie sygnalizatorem pory dnia, a coraz częściej stawał się przyrządem do mierzenia krótszych i bardziej wymagających odcinków czasu, użytecznym w nauce, żegludze i rozwijającym się życiu gospodarczym. W tym okresie coraz większego znaczenia nabierały również minuty i sekundy: wcześniej często pomijane albo traktowane orientacyjnie, zaczęły być realnie odczytywane i wykorzystywane tam, gdzie liczyła się obserwacja naukowa, nawigacja i precyzyjna organizacja pracy. Już w XV wieku istniały zegary pokazujące minuty, a około 1560 poświadczona jest jedna z najwcześniejszych znanych wskazówek sekundowych, co dobrze pokazuje, że rozwój układu wskazań postępował stopniowo wraz ze wzrostem dokładności mechanizmu.

Jeszcze przed rewolucją wahadłową europejskie zegarmistrzostwo weszło jednak w fazę intensywnych ulepszeń konstrukcyjnych. W ośrodkach takich jak Norymberga, Augsburg i Blois rozwijano coraz bardziej złożone zegary stołowe, a Jost Bürgi opracował wychwyt krzyżowy oraz rozwiązania typu remontoire, dzięki którym część jego konstrukcji osiągała dokładność rzędu 1-2 minut na dobę, wyjątkową jak na epokę przedwahadłową. Pokazuje to, że droga do precyzyjnej chronometrii zaczęła się jeszcze przed XVII wiekiem, od stopniowego ograniczania błędów regulatora i napędu w zegarach używanych także do obserwacji astronomicznych.

Kolejny duży skok dokładności nastąpił w XVII wieku dzięki zegarowi wahadłowemu Christiaana Huygensa. Wykorzystywał on znacznie bardziej regularny ruch regulatora niż wcześniejsze konstrukcje i dlatego szybko stał się podstawą dokładnych zegarów stacjonarnych, zwłaszcza w obserwatoriach, warsztatach i bogatszych wnętrzach domowych. W kolejnych dekadach rozwijano rozwiązania, które poprawiały nie tylko sam chód, ale i praktyczną użyteczność zegara: udoskonalano wychwyty, stabilizowano zawieszenie wahadła, a układ wskazań coraz częściej dostosowywano do dokładniejszego odczytu minut i sekund zamiast jedynie orientacyjnego rozpoznawania pory dnia. Ważnym krokiem praktycznym było też zastosowanie przez Williama Clementa wychwytu kotwicowego w zegarach wahadłowych, co uczyniło długie wahadło bardziej użytecznym i sprzyjało upowszechnieniu pod koniec XVII wieku zegara szafowego typu longcase. Późniejsze ulepszenia, takie jak wychwyt kotwicowy, sprężyna włosowa balansu i coraz lepsze rozwiązania kompensujące wpływ temperatury, tarcia oraz nierównomierności napędu, uczyniły zegary narzędziem kluczowym dla żeglugi, kartografii i nauki. Sprężyna włosowa, czyli hairspring, pozwoliła związać balans z bardziej przewidywalnym okresem drgań i stała się podstawowym regulatorem zegarków przenośnych, zwłaszcza po spiralnym rozwiązaniu Huygensa z lat 1674–1675. Wahadło nie nadawało się jednak dobrze do zastosowań przenośnych, dlatego w zegarkach i chronometrach większe znaczenie miał balans ze sprężyną włosową, mniej zależny od ustawienia urządzenia. W zegarach stołowych i domowych poprawa dokładności szła w parze ze zmianą sposobu odczytu czasu: tarcze i wskazówki przestawały służyć jedynie przybliżonemu wskazaniu pory dnia, a zaczynały umożliwiać bardziej precyzyjny odczyt minut, a z czasem także sekund. W drugiej połowie XVII wieku na części tarcz utrwalał się już układ z wyraźniejszą podziałką minutową i bardziej nowoczesnym rozdzieleniem funkcji wskazówek, co odpowiadało rosnącym oczekiwaniom wobec codziennej punktualności i zastosowań naukowych. Szczególnie ważny okazał się problem długości geograficznej: niezawodny chronometr morski pozwalał porównać czas lokalny z czasem odniesienia i dzięki temu obliczyć pozycję statku. W ścisłym znaczeniu chronometr oznaczał przy tym przenośny czasomierz o bardzo dużej dokładności, szczególnie przeznaczony do wyznaczania długości geograficznej na morzu. W 1714 parlament brytyjski wyznaczył wysoką nagrodę za praktyczne rozwiązanie tego problemu, co silnie pobudziło prace nad zegarami zdolnymi utrzymywać dokładny chód na kołyszącym się statku. John Harrison poświęcił temu zadaniu dziesięciolecia, rozwijając kolejne chronometry z rozwiązaniami ograniczającymi tarcie, wpływ kołysania i skutki zmian temperatury, a próba morska z 1761 wykazała błąd mniejszy niż pięć sekund po dziesięciu tygodniach. Poszukiwanie takiej konstrukcji przyspieszyło rozwój dokładnych zegarów przenośnych w XVIII wieku i pokazało, że dokładność zegara stała się już nie tylko kwestią prestiżu czy wygody, ale także problemem strategicznym dla żeglugi i państwa.

Produkcja przemysłowa, elektryczność i czas standardowy

W XIX wieku rozpowszechniały się zarówno zegary elektryczne, jak i bardziej znormalizowana produkcja przemysłowa. W Wielkiej Brytanii długo dominował model wyrobu wysokiej jakości dla zamożnych odbiorców, natomiast w Stanach Zjednoczonych rozwój części wymiennych i produkcji seryjnej obniżył koszt zegarów i zegarków. Już w 1816 Eli Terry współtworzył system masowego wytwarzania zegarów z elementów wymiennych, a od połowy stulecia podobne metody rozwijały amerykańskie przedsiębiorstwa, w tym późniejsza Waltham Watch Company. Charakterystycznym produktem tej epoki stał się amerykański zegar półkowy typu pillar-and-scroll shelf clock, masowo wytwarzany od drugiej dekady XIX wieku i kojarzony właśnie z Elim Terrym. Równolegle elektryczne impulsy zaczęto wykorzystywać zarówno do napędu pojedynczych mechanizmów, jak i do sterowania sieciami zegarów głównych i podrzędnych. Już w 1815 Francis Ronalds opisał zegar zasilany suchymi ogniwami, a Alexander Bain opatentował zegar elektryczny w 1840 i elektromagnetyczne wahadło w 1841, co otworzyło drogę do praktycznych zegarów elektromagnetycznych. Później prąd stosowano nie tylko jako źródło energii, ale też jako medium rozsyłania impulsów czasu między zegarem głównym a wieloma tarczami podrzędnymi w szkołach, fabrykach, urzędach i na kolei. Zegar coraz wyraźniej przestawał być luksusowym wyrobem rzemieślniczym dla nielicznych, a stawał się zwykłym elementem życia codziennego, obecnym w mieszkaniu, szkole, biurze, fabryce i na kolei. Właśnie wtedy pomiar czasu zaczął działać także jako infrastruktura zbiorowa: nie tylko prywatny odczyt godziny, lecz wspólny rytm pracy, transportu i administracji, oparty na wielu wzajemnie uzgadnianych zegarach. W miejscach z dostępną siecią prądu przemiennego szczególne znaczenie zyskały później zegary synchroniczne, wykorzystujące częstotliwość sieci energetycznej jako praktyczny punkt odniesienia dla długookresowo stabilnego odmierzania czasu.

Rozrost kolei i telegrafu ujawnił zarazem ograniczenia czasu miejscowego wyznaczanego osobno w każdym mieście. Kiedy rozkłady jazdy, sygnały stacyjne i zegary publiczne zaczęto podporządkowywać wspólnemu wzorcowi, zegar przestał służyć jedynie do lokalnego orientowania się w porze dnia, a stał się narzędziem ustanawiania czasu standardowego na skalę regionalną i państwową. Prowadziło to do stopniowego odchodzenia od wielu lokalnych południ słonecznych ku czasowi kolejowemu, urzędowemu i strefowemu, rozprowadzanemu przez obserwatoria, telegraf i sieci zegarów podrzędnych.

Masowe upowszechnienie zegarów zmieniło przy tym nie tylko technikę pomiaru, ale też społeczne oczekiwania wobec punktualności. Widoczny zegar w fabryce, szkole, biurze czy na dworcu stawał się narzędziem dyscypliny codzienności i znakiem nowoczesnego porządku czasu, a domowy zegar ścienny lub kominkowy coraz częściej był jednocześnie użytecznym sprzętem i elementem reprezentacyjnym wnętrza.

Kwarc i synchronizacja elektroniczna

W XX wieku dominującą technologią użytkową stały się zegary kwarcowe. Ich podstawą były odkryte w XIX wieku własności piezoelektryczne kwarcu, które w XX wieku doprowadziły do skonstruowania oscylatorów i pierwszych laboratoryjnych zegarów kwarcowych. W odróżnieniu od regulatorów czysto mechanicznych rezonator kwarcowy pracuje z dużo wyższą częstotliwością i może być elektronicznie dzielony do impulsów sekundowych, dzięki czemu łatwiej osiągnąć stabilny chód przy małych rozmiarach urządzenia. W 1927 Warren Marrison i J.W. Horton zbudowali w Bell Telephone Laboratories jeden z pierwszych działających zegarów kwarcowych, a przez kolejne dekady urządzenia tego typu służyły jako bardzo dokładne wzorce częstotliwości; National Bureau of Standards opierało na nich amerykański wzorzec czasu aż do przejścia na zegary atomowe w latach 60.. Sam Marrison opisywał później ten przełom jako przejście od mechanicznej chronometrii do laboratoryjnych wzorców częstotliwości, opartych na rezonatorze pracującym z dużo wyższą częstotliwością i na elektronicznym dzieleniu sygnału. Jeszcze zanim kwarc trafił masowo do zegarków, laboratoria państwowe używały takich konstrukcji jako podstawowych wzorców czasu i częstotliwości. Po miniaturyzacji elektroniki i spadku kosztów produkcji kwarc stał się podstawą zegarów domowych, naręcznych i systemowych, a symboliczny przełom użytkowy przyniosło pojawienie się pod koniec lat 60. pierwszych seryjnych zegarków kwarcowych. Za najbardziej rozpoznawalny punkt tej zmiany uchodzi model Astron firmy Seiko, wprowadzony w 1969 jako pierwszy kwarcowy zegarek naręczny produkowany seryjnie. Zmiana ta oznaczała odejście od wielu ograniczeń klasycznego zegarmistrzostwa mechanicznego: poprawę dokładności, mniejszą wrażliwość na położenie i łatwiejszą integrację z wyświetlaczami elektronicznymi oraz automatyką.

Rezonator kwarcowy w kształcie kamertonu, stosowany w wielu współczesnych zegarach i zegarkach kwarcowych

Równolegle rozwijały się zegary synchronizowane radiowo oraz przez sieć, w których lokalny oscylator jest okresowo korygowany przez dokładniejsze źródło odniesienia.

Zegary atomowe i współczesna metrologia

Współczesna metrologia czasu opiera się na zegarach atomowych. Sama idea wykorzystania własności atomów jako wzorca czasu pojawiła się jeszcze w XIX wieku, lecz praktyczny przełom nastąpił dopiero wraz z rozwojem rezonansu magnetycznego i technik mikrofalowych w XX wieku. W 1949 zbudowano pierwszy prototypowy zegar atomowy, w 1955 uruchomiono dokładny wzorzec cezowy, a od 1967 definicję sekundy opiera się na częstotliwości przejścia nadsubtelnego atomu cezu-133. Zegary atomowe stanowią podstawę współczesnych skal czasu i umożliwiają działanie systemów nawigacji satelitarnej, telekomunikacji oraz precyzyjnych pomiarów naukowych. Rozwój nie zatrzymał się jednak na klasycznych wzorcach cezowych, bo późniejsze konstrukcje osiągały jeszcze większą stabilność i dokładność, co otworzyło drogę do coraz subtelniejszych testów fizycznych i jeszcze lepszej synchronizacji systemów technicznych. W Polsce fizyczną realizację skali UTC utrzymuje Główny Urząd Miar jako UTC(PL).

Dokładność i synchronizacja

Dokładność zegara zależy przede wszystkim od stabilności oscylatora, jakości układu zliczającego oraz wpływu warunków zewnętrznych, takich jak temperatura, tarcie czy zakłócenia elektromagnetyczne. W praktyce wraz ze wzrostem częstotliwości i stabilności oscylatora można osiągać coraz większą precyzję, dlatego rozwój chronometrii prowadził od regulatorów mechanicznych do rezonatorów kwarcowych i wzorców atomowych.

Na dokładność wpływa nie tylko sam regulator, lecz także sposób przekazywania energii i czułość całego układu na zakłócenia. W zegarach mechanicznych wahadło albo balans reagują na tarcie, temperaturę i impulsy wychwytu, dlatego przez stulecia doskonalono nie tylko regulator chodu, ale również napęd, przekładnie i rozwiązania kompensacyjne. W zegarach kwarcowych i atomowych element wzorcowy jest znacznie mniej podatny na takie zaburzenia, co pozwala osiągać dużo większą stabilność biegu.

Trzeba też odróżniać stabilność wzorca od samej możliwości regulacji biegu. Zegar mechaniczny można korygować przez zmianę efektywnej długości wahadła albo parametrów balansu, lecz taka regulacja nie usuwa automatycznie wpływu temperatury, tarcia i zmian napędu. W konstrukcjach elektronicznych część zegarów da się dostroić lokalnie, ale coraz częściej zamiast ręcznej korekty stosuje się okresowe porównanie z dokładniejszym wzorcem zewnętrznym. Najdokładniejsze zegary atomowe pełnią natomiast rolę wzorców pierwotnych i są budowane tak, by generator pozostawał stale sprzężony z częstotliwością przejścia atomowego, a nie po prostu „ustawiany” jak zwykły zegar użytkowy.

Nie każdy zegar działa całkowicie autonomicznie. Część urządzeń korzysta z lokalnego oscylatora, lecz okresowo porównuje go z dokładniejszym wzorcem zewnętrznym. Tak działały sieci zegarów głównych i podrzędnych, później zegary synchroniczne zasilane częstotliwością sieci energetycznej, a dziś także zegary radiowe, systemy satelitarne i komputery synchronizowane protokołem NTP.

Trzeba więc odróżniać dokładność krótkookresową od zgodności długookresowej z urzędową skalą czasu. Zegar może chwilowo nieco spieszyć się lub późnić, a mimo to pozostawać zgodny z czasem wzorcowym dzięki okresowym korektom. Odwrotnie, dobrze wykonany zegar autonomiczny może przez pewien czas działać bardzo równo, lecz bez synchronizacji stopniowo oddala się od zewnętrznego odniesienia.

W profesjonalnej metrologii nie opisuje się więc pracy zegara jednym prostym parametrem. Laboratoria rozdzielają zgodność z urzędową skalą czasu, stabilność częstotliwości oraz zachowanie w różnych przedziałach uśredniania, dlatego do charakteryzacji wzorców i oscylatorów stosują między innymi odchylenie Allana, zmodyfikowane odchylenie Allana i odchylenie czasu. Miary te pozwalają odróżnić urządzenie bardzo równe w krótkim okresie od takiego, które lepiej utrzymuje zgodność długookresową albo po korektach pozostaje blisko UTC.

Znaczenie ma przy tym nie tylko częstotliwość pracy wzorca, ale również jego podatność na zakłócenia pochodzące od samego układu napędowego i sterującego. W dawnych zegarach mechanicznych regulator o stosunkowo małej dobroci rezonansu był silnie wrażliwy na impulsy wychwytu, dlatego poprawa dokładności wymagała jednoczesnego doskonalenia wahadła albo balansu oraz samego wychwytu. W zegarach elektronicznych i atomowych element wzorcowy pracuje zwykle z dużo większą dobrocią i częstotliwością, więc wpływ układu podtrzymującego drgania staje się relatywnie mniejszy, a większego znaczenia nabiera jakość wzorca, stabilność środowiska pracy i sposób dzielenia sygnału na użyteczne impulsy czasu.

Zastosowanie

Zegary służą nie tylko do codziennego odczytywania godziny, ale także do synchronizacji procesów technicznych i społecznych. Występują w domach, szkołach, zakładach pracy, środkach transportu, przestrzeni publicznej oraz w urządzeniach elektronicznych, a ich funkcja może być zarówno informacyjna, jak i sterująca.

W przestrzeni publicznej zegar bywa zarazem narzędziem orientacji i elementem organizującym wspólny rytm dnia. Zegary ratuszowe, dworcowe, kościelne czy szkolne mają podawać wspólny czas wielu osobom naraz, często z daleka i w sposób łatwy do odczytania. W życiu prywatnym i zawodowym ta sama funkcja może być realizowana przez zegar ścienny, biurkowy, naręczny albo przez niewielki moduł ukryty w telefonie, komputerze czy urządzeniu gospodarstwa domowego.

Publiczny zegar miejski w Robbins w Karolinie Północnej

W epoce kolei, telegrafu i standaryzacji czasu znaczenie zegarów publicznych jeszcze wzrosło. Tarcze dworcowe, szkolne i urzędowe musiały być czytelne dla wielu odbiorców jednocześnie, niekiedy z kilku kierunków, a ich wskazania wiązano z lokalnymi systemami dzwonków, sygnałów i rozkładów jazdy. W takim ujęciu zegar publiczny nie był tylko większą odmianą czasomierza domowego, lecz elementem infrastruktury porządkującej przepływ ludzi, pracy i transportu.

Standardy czasu i metrologia

W nauce i technice konieczne są wzorce czasu o możliwie najwyższej stabilności, względem których kalibruje się zegary robocze. Tę rolę pełnią przede wszystkim zegary atomowe, wykorzystywane w laboratoriach metrologicznych do utrzymywania skal czasu i częstotliwości. W ujęciu klasycznym są to układy, w których generator jest stale dostrajany w pętli sprzężenia zwrotnego do częstotliwości przejścia atomowego, najczęściej cezu lub rubidu. Droga do takich wzorców była jednak stopniowa: prototypowy zegar atomowy z amoniakalnym maserem, zbudowany w 1949 w National Bureau of Standards, był jeszcze mniej dokładny od najlepszych zegarów kwarcowych, ale potwierdził praktyczną wykonalność samej idei. Późniejsze wzorce cezowe stały się podstawą realizacji sekundy SI, a współczesne laboratoria rozwijają też zegary optyczne, między innymi iterbowe, osiągające stabilność rzędu poniżej 2×10⁻¹⁸. W Polsce fizyczną realizację czasu urzędowego i skali UTC(PL) utrzymuje Główny Urząd Miar.

Istnieją także wyspecjalizowane konstrukcje eksperymentalne wykorzystujące pulsary jako zewnętrzny wzorzec odniesienia dla zegara atomowego. Przykładem jest zegar pulsarowy uruchomiony w Gdańsku w 2011 roku, łączący rubidowy wzorzec częstotliwości z układem odbierającym impulsy od kilku pulsarów.

Nawigacja

Dokładny pomiar czasu był historycznie warunkiem wyznaczania długości geograficznej, a więc bezpiecznej nawigacji oceanicznej. Rozwój chronometrów morskich w XVIII wieku pozwolił połączyć obserwacje astronomiczne z wiarygodnym odniesieniem czasowym, co stało się jednym z najważniejszych impulsów do udoskonalenia zegarów mechanicznych. W portach stosowano także publiczne sygnały czasu, między innymi kule czasu opuszczane o ściśle wyznaczonej porze, aby marynarze mogli porównywać i korygować wskazania chronometrów przed wyjściem w morze. We współczesnej nawigacji satelitarnej zależność ta pozostała aktualna, lecz źródłem odniesienia są już wzorce atomowe umieszczone w infrastrukturze naziemnej i satelitach.

Życie codzienne, sport i automatyka

Zegar może pełnić funkcję sterującą, a nie tylko wskazującą. Mechanizmy zegarowe wykorzystuje się jako element minutników, programatorów, budzików i układów automatyki uruchamiających określone czynności o zadanej porze. W takich zastosowaniach istotne jest nie tyle samo odczytanie godziny przez człowieka, ile niezawodne wygenerowanie impulsu, sygnału albo polecenia w odpowiednim momencie, na przykład dla instalacji technicznej, urządzenia rejestrującego lub procesu przemysłowego.

W sporcie i grach używa się stoperów, zegarów meczowych, szachowych i innych odmian służących do odmierzania ograniczonych odcinków czasu, a nie tylko pełnej doby. Osobne zegary mogą tam mierzyć całkowity czas gry, czas do wznowienia akcji albo limit przeznaczony na wykonanie określonego ruchu przez zawodnika czy drużynę. W takim kontekście bliskim krewnym stopera jest chronograf, czyli czasomierz służący do pomiaru czasu upływającego w sekundach, minutach lub ich częściach, często wyposażony również w dodatkowe wskazania kalendarzowe. W takich zastosowaniach zegar staje się częścią reguł współzawodnictwa, a nie wyłącznie neutralnym wskaźnikiem pory dnia.

W informatyce i elektronice sygnał zegarowy koordynuje działanie procesorów i innych układów cyfrowych, a zegary czasu rzeczywistego podtrzymują informację o aktualnej dacie i godzinie. Są to funkcje pokrewne, lecz nie tożsame: pierwszy rodzaj zegara wyznacza rytm operacji urządzenia, drugi zaś przechowuje odniesienie do rzeczywistego czasu kalendarzowego także wtedy, gdy użytkownik nie obserwuje bezpośrednio żadnej tarczy ani wyświetlacza. Słowo „zegar” obejmuje więc zarówno urządzenia komunikujące czas człowiekowi, jak i wewnętrzne układy taktujące lub odmierzające czas na potrzeby sterowania, rejestracji i synchronizacji procesów technicznych.

Synchronizacja zbiorowa i sieciowa

W XIX i XX wieku ważną rolę pełniły sieci zegarowe stosowane w szkołach, fabrykach, urzędach i na kolei, w których jeden zegar główny okresowo synchronizował wiele tarcz podrzędnych. Wraz z rozwojem telegrafu dokładny czas zaczęto też rozprowadzać do odległych zegarów publicznych i sygnałów czasu, co ułatwiało jego ujednolicanie na obszarach większych niż pojedynczy budynek lub instytucja. Zegar podrzędny nie musi przy tym samodzielnie wyznaczać czasu z najwyższą dokładnością; wystarcza, że poprawnie reaguje na impulsy synchronizujące wysyłane przez zegar główny albo inne źródło odniesienia.

W takich systemach chodziło nie tylko o zgodność wskazań, lecz także o jednolitą organizację dnia instytucji. Jeden wzorzec mógł sterować zarazem zegarami ściennymi, dzwonkami lekcyjnymi, sygnałem rozpoczęcia zmiany, rejestratorami czasu pracy albo zegarami peronowymi, przez co czas stawał się częścią infrastruktury administracyjnej i przemysłowej, a nie wyłącznie prywatnej orientacji użytkownika.

Współcześnie podobną funkcję spełniają systemy synchronizacji radiowej, satelitarnej i sieciowej, zapewniające wspólny czas w rozproszonych urządzeniach i instalacjach. Główny Urząd Miar udostępnia też publiczną usługę synchronizacji czasu przez protokół NTP, służącą do uzgadniania czasu w systemach komputerowych z polskim czasem urzędowym. Wiele współczesnych zegarów i komputerowych zegarów czasu rzeczywistego działa więc w modelu mieszanym: lokalnie odmierza czas własnym oscylatorem, ale okresowo poprawia go według sygnału zewnętrznego, aby ograniczyć narastanie błędu i utrzymać zgodność z czasem wzorcowym.

Wybrane odmiany

Wyróżnia się bardzo wiele odmian zegarów, różniących się mechanizmem działania, relacją do wzorca czasu, sposobem prezentacji wskazań, funkcją oraz formą.

Według mechanizmu działania

Ze względu na zasadę odmierzania czasu wyróżnia się między innymi zegary słoneczne, wodne, mechaniczne, elektryczne, kwarcowe, radiowe, atomowe oraz eksperymentalne pulsarowe. W obrębie zegarów mechanicznych mieszczą się zarówno wielkie konstrukcje obciążnikowe, jak i mniejsze zegary sprężynowe, a także odmiany wyspecjalizowane, takie jak zegary wahadłowe, balansowe, wieżowe czy astronomiczne. Zegar astronomiczny wyróżnia się tym, że poza podstawowym czasem dobowym pokazuje również inne cykle, na przykład fazy Księżyca, pozycje ciał niebieskich albo elementy kalendarza. W historycznych opracowaniach jako osobne grupy opisuje się też konstrukcje świecowe i piaskowe, które nie tworzą ciągłego układu chodu w nowoczesnym sensie, ale pełniły podobną funkcję praktyczną jako urządzenia do odmierzania ustalonego odcinka czasu.

Wśród mechanicznych podtypów szczególne znaczenie mają zegary wahadłowe, które przez stulecia stanowiły podstawę dokładnego odmierzania czasu w zastosowaniach stacjonarnych. Ich przewaga wynikała z regularności drgań wahadła, lecz okupiona była małą przydatnością w ruchu, dlatego konstrukcje te najlepiej sprawdzały się w domach, warsztatach, urzędach i obserwatoriach, a nie w urządzeniach przenośnych. W klasycznym zegarze mechanicznym okres małych wychyleń wahadła zależy przede wszystkim od jego długości, co tłumaczy, dlaczego ten typ regulatora okazał się tak użyteczny w stabilnych konstrukcjach stacjonarnych. Obok zwykłych zegarów wahadłowych rozwinęły się też odmiany bardziej wyspecjalizowane, na przykład zegary z wahadłem skrętnym, w których element regulatora wykonuje powolny ruch obrotowy zamiast klasycznych wychyleń. Rozwiązania takie ceniono między innymi za długi okres drgań i małe zapotrzebowanie na energię, choć nie stały się one uniwersalnym standardem dokładności.

Inną ważną grupę tworzą mechaniczne zegary wieżowe i obserwatoryjne. Zegar wieżowy projektuje się przede wszystkim do wspólnego odczytu w przestrzeni publicznej oraz do współpracy z mechanizmem bicia, dlatego skala, czytelność i niezawodność bywają w nim ważniejsze niż miniaturyzacja. Z kolei chronometr obserwatoryjny i pokrewne zegary precyzyjne podporządkowano możliwie stałemu chodowi oraz roli wzorca dla obserwacji astronomicznych, geodezji i synchronizacji innych urządzeń. Na drugim biegunie stoją mechaniczne zegarki i małe zegary sprężynowe, w których miniaturyzacja wymusiła przejście od wahadła do balansu ze sprężyną włosową oraz daleko większą wrażliwość konstrukcji na jakość wykonania poszczególnych części.

Historycznie ważne miejsce zajmują też wczesne zegary wieżowe, które przez długi czas działały przede wszystkim jako urządzenia publicznego sygnału czasu. W najstarszej fazie wybijały godziny dla wspólnoty miejskiej lub klasztornej i nie musiały jeszcze mieć tarczy ani wskazówek, dopiero później coraz częściej łączono funkcję akustyczną z widocznym wskazaniem na zewnątrz budynku. Równolegle rozwijały się mniejsze zegary stołowe, kominkowe i kieszonkowe napędzane sprężyną. Przejście od dużych mechanizmów obciążnikowych do bardziej zwartych konstrukcji sprężynowych otworzyło drogę do zegarów domowych i przenośnych, ale zarazem zwiększyło znaczenie jakości wychwytu, balansu i sprężyny włosowej, bo w małym mechanizmie każdy błąd wykonania silniej wpływał na chód.

Monumentalny zegar z wahadłem stożkowym Eugène'a Farcota z 1867 roku

Według sposobu prezentacji wskazań

Ze względu na formę odczytu można odróżnić zegary analogowe, cyfrowe, hybrydowe, słowne, projekcyjne, dotykowe oraz wielowskaźnikowe. Podział ten przecina się z klasyfikacją mechanizmu, bo na przykład zegar cyfrowy może być elektroniczny, ale może też wykorzystywać mechaniczny układ przestawiający cyfry, a zegar analogowy może być równie dobrze mechaniczny, kwarcowy albo synchronizowany z zewnętrznym wzorcem czasu.

Klasyczny zegar analogowy pokazuje czas przez położenie wskazówek na tarczy, lecz historycznie stosowano także inne odmiany takiego przedstawienia, na przykład tarcze 24-godzinne albo rozwiązania z kilkoma skalami jednocześnie. Zegar cyfrowy przedstawia czas liczbowo, nie przesądzając sam przez się o większej dokładności, bo precyzja zależy przede wszystkim od źródła częstotliwości, a nie od samego typu wyświetlacza.

Dzisiejsza tarcza dwunastogodzinna z podziałem na minuty nie była od początku jedynym oczywistym standardem. W różnych epokach stosowano również układy 24-godzinne, rozwiązania z inną liczbą godzin na tarczy, a nawet eksperymenty dziesiętne, które miały podporządkować odmierzanie czasu ogólniejszym reformom miar i rachuby. Dopiero rozwój nowoczesnego zegarmistrzostwa, produkcji seryjnej oraz potrzeb transportu i administracji utrwalił współczesny, najbardziej rozpowszechniony sposób graficznego przedstawiania godzin i minut.

Dobrym przypomnieniem tej historycznej zmienności jest zegar słoneczny, który również daje odczyt analogowy, ale nie pokazuje automatycznie tego samego czasu co zegar urzędowy. Jego wskazanie zależy od pozornego ruchu Słońca, równania czasu i położenia względem południka strefowego, więc przy praktycznym odczycie trzeba uwzględniać poprawki związane między innymi z czasem letnim oraz różnicą między czasem miejscowym a strefowym.

Do odmian podporządkowanych wygodzie lub dostępności należą zegary słowne, które układają godzinę w postaci zdania, zegary projekcyjne rzucające powiększony obraz na ścianę lub sufit, a także zegary dotykowe i brajlowskie przeznaczone do odczytu bez użycia wzroku. Pokrewne są konstrukcje wielowskaźnikowe i wielotarczowe, w których jeden mechanizm obsługuje kilka wskazań jednocześnie, na przykład dla kilku stref czasowych albo kilku kierunków odczytu.

Według funkcji

Ze względu na funkcję można wskazać budziki, stopery, zegary szachowe, zegary sterujące, zegary rejestrujące, astronomiczne oraz urządzenia przeznaczone do pracy w sieci jako zegar główny albo podrzędny. Do tej grupy zalicza się także między innymi zegary bijące, mówiące, światowe, pływowe oraz konstrukcje pokazujące równanie czasu, a w zastosowaniach przemysłowych i biurowych także urządzenia do ewidencji czasu pracy.

Ta klasyfikacja funkcjonalna obejmuje urządzenia wyspecjalizowane w jednym zadaniu, które nie muszą prezentować pełnej informacji o aktualnej porze dnia. Zegar pływowy pokazuje orientacyjny rytm pływów, zegar równania czasu zestawia czas średni z pozornym słonecznym, a budzik albo zegar sterujący może być projektowany przede wszystkim jako układ wyzwalający sygnał lub czynność o określonej porze. Granica między zegarem, minutnikiem, programatorem i urządzeniem synchronizacyjnym bywa więc płynna, zwłaszcza gdy wspólny mechanizm czasu służy jednocześnie do wskazania, alarmu i sterowania.

Do najbardziej rozpoznawalnych odmian funkcjonalnych należą budziki i zegary bijące, których główną rolą nie jest samo spokojne prezentowanie godziny, lecz wywołanie reakcji użytkownika przez dźwięk lub ruch o określonej porze. W tej samej rodzinie mieszczą się też zegary z kukułką i inne konstrukcje, w których wskazanie czasu połączono z cyklicznym efektem akustycznym albo automatem. Z kolei stoper i zegar szachowy służą przede wszystkim do odmierzania ograniczonego odcinka czasu w ramach zadania, partii albo procedury, więc ich funkcja pozostaje bliższa kontroli przebiegu działania niż ciągłemu wskazywaniu pory dnia.

Zegary systemowe i synchronizowane

Między zwykłym zegarem użytkowym a wzorcem czasu istnieje grupa konstrukcji systemowych, takich jak zegary główne i podrzędne. W takim układzie pojedyncza tarcza bywa tylko lokalnym interfejsem, natomiast rzeczywistą funkcją całego systemu jest rozsyłanie jednolitego sygnału czasu do szkoły, dworca, fabryki, biura lub sieci rejestratorów, co wzmacnia rolę stabilności i łatwej synchronizacji ponad sam wygląd mechanizmu.

Do tej rodziny należą również zegary synchroniczne zasilane częstotliwością sieci energetycznej, a w nowszej technice zegary radiowe, satelitarne i sieciowe, które okresowo porównują własny chód z dokładniejszym wzorcem zewnętrznym. W takich urządzeniach istotna jest nie tylko lokalna regularność oscylatora, ale też sposób korekcji błędu i utrzymywania zgodności z czasem urzędowym albo laboratoryjnym.

W praktyce takie systemy rozdzielają role, które w zwykłym zegarze domowym pozostają złączone w jednym przedmiocie. Jeden element pełni funkcję wzorca lub zegara głównego, inny odpowiada za dystrybucję impulsów, a jeszcze inny tylko prezentuje wskazania albo uruchamia podporządkowane urządzenie. Dzięki temu wspólny czas może być jednocześnie widoczny na wielu tarczach i wykorzystywany do sterowania dzwonkami, rejestratorami czy automatyką budynkową.

Z kolei zegary precyzyjne używane w obserwatoriach i służbach czasu tworzą odmianę podporządkowaną wzorcowi, a nie codziennemu komfortowi. Od regulatorów wahadłowych po późniejsze konstrukcje o coraz mniejszej wrażliwości na temperaturę i zakłócenia chodziło w nich przede wszystkim o przewidywalny, porównywalny chód, potrzebny astronomii, geodezji i dystrybucji czasu urzędowego.

Według formy i miejsca użycia

Ze względu na formę i miejsce użycia wyróżnia się między innymi zegary wieżowe, dworcowe, ścienne, kominkowe, kieszonkowe, naręczne, projekcyjne i ekspozycyjne. W opisach historycznych i muzealnych często wydziela się również odmiany związane z obudową albo stylem, takie jak zegary podłogowe, szkieletowe, kukułki czy kwiatowe. Granice między tymi grupami są płynne, ponieważ jeden zegar może równocześnie należeć do kilku kategorii, na przykład być zegarem kwarcowym, radiowym i projekcyjnym zarazem.

W praktyce opisy formy obejmują także społeczną i reprezentacyjną rolę przedmiotu. Zegar wieżowy albo dworcowy projektuje się do wspólnego odczytu w przestrzeni publicznej, zegar podłogowy lub kominkowy pełni zarazem funkcję użytkową i dekoracyjną, a zegar szkieletowy eksponuje sam mechanizm jako wartość estetyczną. Klasyczny grandfather clock to natomiast wysoki zegar wahadłowy zamknięty w drewnianej szafie stojącej na podłodze, zwykle o wysokości około 1,8-2,3 metra. Dlatego część nazw typów odnosi się bardziej do obudowy, skali i miejsca użycia niż do samej zasady odmierzania czasu.

Zegar kominkowy w stylu Napoleona III, III ćwierć XIX wieku

Do tej grupy należą także odmiany, w których materiał obudowy, ornament i sposób ekspozycji są niemal równie ważne jak sam mechanizm. Zegar kominkowy, podłogowy czy szkieletowy może pełnić rolę wyposażenia wnętrza, pamiątki rodzinnej, wyrobu prestiżowego albo demonstracji kunsztu zegarmistrzowskiego. Historycznie rozwój takich form łączył się zarówno z upowszechnieniem zegarów domowych, jak i z traktowaniem ich jako oznaki statusu, smaku i nowoczesnej dyscypliny czasu w życiu codziennym.

W praktyce nazwy wielu odmian łączą różne porządki klasyfikacji naraz. Określenie może wskazywać jednocześnie mechanizm, funkcję, obudowę i kontekst użycia, jak w przypadku zegara dworcowego, astronomicznego, szachowego albo zegara wieżowego sterowanego radiowo. Dlatego typologie zegarów mają charakter roboczy i opisowy: pomagają porządkować historię techniki oraz praktykę użytkową, ale rzadko tworzą całkowicie rozłączne kategorie.

W kulturze

Zegary stały się również nośnikiem znaczeń symbolicznych i przedmiotem przesądów. W tradycji brytyjskiej zatrzymanie się zegara bywało interpretowane jako zapowiedź śmierci albo nieszczęścia, a szczególną wymowę przypisywano zegarom, które miały stanąć w chwili śmierci domownika lub osoby publicznej. W obiegu legendarnym powracają zwłaszcza opowieści o zegarach, które miały zatrzymać się w związku ze śmiercią monarchów, między innymi Jerzego III czy Wiktorii.

Za zły omen uchodziło także uderzenie zegara w nieodpowiedniej chwili, na przykład podczas pieśni kościelnej lub ceremonii ślubnej, wybicie niewłaściwej godziny, a nawet mówienie w czasie bicia zegara albo ustawienie go naprzeciw ognia. Takie wyobrażenia łączyły codzienny przedmiot użytkowy z dawnymi praktykami wróżebnymi i symboliczną interpretacją czasu granicznego, przejścia oraz śmierci.

Odmienne skojarzenia pojawiają się w kulturze chińskiej, gdzie ofiarowanie zegara może być uznawane za nietakt, ponieważ wyrażenie oznaczające „dać zegar” brzmi podobnie do zwrotu odnoszącego się do odprowadzania zmarłego na ostatnią drogę. Z tego powodu taki prezent, zwłaszcza wobec osób starszych, bywa odbierany jako symbolicznie niefortunny mimo praktycznej wartości samego przedmiotu.

W kulturze nowoczesnej zegar był jednak nie tylko obiektem przesądów, ale też znakiem ładu, prestiżu i samokontroli. Publiczny zegar wieżowy albo dworcowy symbolizował wspólny czas instytucji i miasta, natomiast zegar kominkowy, podłogowy, kieszonkowy czy naręczny mógł zarazem świadczyć o statusie właściciela, guście oraz podporządkowaniu codziennego życia punktualnemu rytmowi.

Zobacz też

• zegarek
• zegar atomowy
• zegar mechaniczny
• zegar pulsarowy
• zegar kwarcowy
• zegar słoneczny

Linki zewnętrzne

• Karolina Głowacka, Albin Czubla i Maciej Gruszczyński, Mierzenie czasu – po co nam ekstremalnie dokładne zegary?, kanał „Radio Naukowe” na YouTube, 29 lutego 2024 [dostęp 2024-03-05]