ساعة شورت-سينكرونوم

ساعة شورت -سينكرونوم ذات البندول الحر هي ساعة بندول كهروميكانيكية دقيقة ومعقدة، اخترعها عام 1921 مهندس السكك الحديدية البريطاني ويليام هاميلتون شورت بالتعاون مع عالم الساعات فرانك هوب-جونز ، ^{[ 1 ]} وصنعتها شركة سينكرونوم المحدودة في لندن . ^{[ 2 ]} كانت هذه الساعات أدق ساعات البندول التي تم إنتاجها تجاريًا على الإطلاق، ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} وأصبحت المعيار الأعلى لضبط الوقت بين عشرينيات وأربعينيات القرن العشرين، ^{[ 7 ]} وبعد ذلك حلت ساعات الكوارتز محل الساعات الميكانيكية. استُخدمت هذه الساعات في جميع أنحاء العالم في المراصد الفلكية والبحرية ، وفي البحوث العلمية، وكنظام أساسي لخدمات نشر التوقيت الوطنية . كانت ساعة شورت أول ساعة تتفوق في دقة ضبط الوقت على دقة الأرض نفسها؛ فقد استُخدمت عام 1926 لرصد التغيرات الموسمية الطفيفة في معدل دوران الأرض. ^{[ 3 ] [ 7 ] [ 8 ]} حققت ساعات شورت دقة تصل إلى ثانية واحدة تقريبًا في السنة، ^{[ 3 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} على الرغم من أن قياسًا حديثًا أشار إلى أنها كانت أكثر دقة. تم إنتاج حوالي 100 ساعة منها بين عامي 1922 و1956. ^{[ 10 ] [ 12 ]}

كانت ساعات شورت تضبط الوقت باستخدام بندولين ، بندول رئيسي يتأرجح داخل خزان مفرغ من الهواء، وبندول ثانوي في ساعة منفصلة، ​​تتم مزامنته مع البندول الرئيسي بوسائل كهروميكانيكية. وكان البندول الثانوي متصلاً بآلية ضبط الوقت في الساعة، مما جعل البندول الرئيسي بمنأى عن أي مؤثرات خارجية.

تتكون ساعة شورت من وحدتين منفصلتين: البندول الرئيسي داخل خزان نحاسي مفرغ من الهواء قطره 26  سم وارتفاعه 125  سم، مثبت على الحائط، ^{[ 13 ]} وساعة بندول دقيقة مثبتة عليه، موضوعة على بعد أمتار قليلة. ولمنع أي احتمال لتداخل البندولين، تم تركيب الوحدتين إما في غرفتين متباعدتين، أو تم توجيههما بحيث تكون زاوية تأرجح البندولين 90 درجة. أما الساعة الثانوية، فكانت نسخة معدلة من ساعة سينكرونوم القياسية الدقيقة. تم ربط المكونين بأسلاك تحمل نبضات كهربائية تشغل مغناطيسات كهربائية في الآليات للحفاظ على تزامن تأرجح البندولين. صُنع قضيب البندول الرئيسي ووزنه البالغ 6.4 كجم من سبيكة إنفار لتقليل التمدد والانكماش الحراري للبندول، والذي قد يؤدي إلى تغير دورة البندول مع تغيرات درجة الحرارة. تم تعويض معدل التمدد الحراري المتبقي إلى الصفر باستخدام قطعة معدنية أسفل ثقل البندول. تم تفريغ خزان التفريغ بواسطة مضخة يدوية إلى ضغط يبلغ حوالي 30 مم زئبق (40 هكتوباسكال ) ^{[ 14 ]} لمنع تغيرات الضغط الجوي من التأثير على معدل حركة البندول، ولتقليل مقاومة الهواء بشكل كبير ، مما زاد عامل الجودة (Q) من 25000 إلى 110000 ^{[ 15 ]} ، وبالتالي زيادة دقته بمقدار أربعة أضعاف. أظهرت تجارب شورت أنه عند ضغط 30 مم زئبق، كانت الطاقة المستهلكة في انثناء زنبرك التعليق مساوية تمامًا للطاقة المستهلكة في انحراف جزيئات الهواء المتبقية، وبالتالي لم تكن هناك حاجة إلى مستوى تفريغ أعلى. ^{[ 14 ]}    

كان كلا البندولين من نوع البندول الثاني ، بطول متر واحد تقريبًا (39 بوصة )، ودورة كل منهما ثانيتان  ؛ تستغرق كل تأرجحة للبندول الرئيسي ثانية واحدة بالضبط، بينما تستغرق تأرجحة البندول الثانوي وقتًا أطول قليلًا. يتلقى البندولان دفعة من الآلية مرة كل 30 ثانية للحفاظ على تأرجحهما. تحتوي الساعة الثانوية على قرصين لعرض الوقت الذي يقيسه كل بندول، وذلك للتأكد من تزامنها. كما تحتوي على أطراف كهربائية تُنتج إشارة توقيت بتردد 1 هرتز . يمكن توصيل أسلاك بهذه الأطراف لنقل إشارة التوقيت فائقة الدقة إلى ساعات في مدن أخرى، أو بثها عبر الراديو. 

نظريًا، يحافظ البندول المتأرجح في الفراغ دون احتكاك، وبسعة ثابتة وخالية من أي مؤثرات خارجية، على دقة الوقت. ^{[ 2 ]} مع ذلك، يجب ربط البندولات في الساعات بآلية الساعة، مما يُخلّ بتوازن تأرجحها الطبيعي، وكان هذا السبب الرئيسي للخطأ في الساعات الدقيقة في أوائل القرن العشرين. تتفاعل آلية الساعة العادية مع البندول في كل تأرجح لأداء وظيفتين: أولًا، يجب أن يُفعّل البندول نوعًا من الوصلات لتسجيل مرور الوقت. ثانيًا، يجب على آلية الساعة، التي تُفعّلها هذه الوصلات، أن تدفع البندول (دفعة) لتعويض الطاقة التي يفقدها بسبب الاحتكاك، للحفاظ على تأرجحه. تُخلّ هاتان الوظيفتان بتوازن حركة البندول.

تتمثل مزايا ساعة شورت أولاً في أنها قللت من اضطراب البندول الأساسي بسبب النبضة من خلال إعطاء البندولات نبضة مرة واحدة فقط كل 30 ثانية بالضبط (30 تأرجحة للبندول)، وثانياً، أنها قضت على جميع التفاعلات الأخرى مع البندول الأساسي من خلال توليد إشارة التوقيت الدقيقة اللازمة للتحكم في الساعة الثانوية (وتسجيل مرور الوقت) من آلية النبضة نفسها، مما يترك البندول يتأرجح "حراً" من التداخل.

تم ربط البندولين الأساسي والثانوي معًا في حلقة تغذية راجعة تحافظ على تزامن البندول الثانوي مع البندول الأساسي. ^{[ 1 ] [ 14 ]} احتوت الساعة الثانوية على آلية ميكانيكية تستخدم عجلة عد  مكونة من 15 سنًا ، والتي كانت تُحرك للأمام مع كل تأرجح للبندول باتجاه اليمين بواسطة ذراع متصل بالبندول.

كل 15 ذبذبة (30  ثانية)، يحرر هذا الميزان ذراع الجاذبية الذي يدفع البندول الثانوي. أثناء هبوطه، يغلق ذراع الجاذبية في البندول الثانوي مفتاحًا يُفعّل مغناطيسًا كهربائيًا يُعيد ضبط (يرفع) ذراع الجاذبية في البندول الثانوي، كما يرسل نبضة تيار إلى مغناطيس كهربائي في الوحدة الرئيسية، مما يحرر ذراع جاذبية ثانيًا لدفع البندول الرئيسي.

تم توفير الدفعة للبندول الأساسي بواسطة وزن ذراع الجاذبية للبندول الأساسي (الذي يعمل كجهاز إعادة التدوير ) الذي يتدحرج من عجلة متصلة بالبندول الأساسي، وتضمن هذه الآلية أن يتلقى البندول الأساسي دفعة ميكانيكية متطابقة كل 30  ثانية من ذراع الجاذبية للبندول الأساسي، في نفس الجزء من شوطه تقريبًا.

أدى سقوط ذراع الجاذبية للبندول الرئيسي إلى إغلاق زوج من نقاط التلامس في دائرة كهربائية ثانية، مما أعاد ضبط هذا الذراع وأرسل نبضة كهربائية إلى جهاز التزامن ذي النبضات المتقطعة في الوحدة الثانوية. وعلى الرغم من أن بداية الدورة، التي تبدأها الوحدة الثانوية، قد تختلف بمقدار ضئيل جدًا كل ثلاثين ثانية، إلا أن عملية إعادة الضبط والتزامن (التي تحدث فقط لحظة انزلاق جوهرة ذراع الجاذبية للساعة الرئيسية عن عجلة البندول) كانت ثابتة عند موضع البندول الرئيسي، وتمثل الوقت الدقيق المستمد من البندول "الحر" (الرئيسي).

في عام ١٩٢٨، زار المخترع الأمريكي ألفريد لي لوميس ورشة فرانك هوب جونز ، حيث عُرضت عليه  ساعة سادسة شبه مكتملة. بعد أن أُبلغ لوميس أن سعرها ٢٤٠ جنيهًا إسترلينيًا ( ما يعادل ١٨٠٠٠ جنيه إسترليني في عام ٢٠٢٤ )، ^{[ ١٧ ]} فاجأ هوب جونز بطلبه ثلاث ساعات ودفع ثمن الساعة الأولى مقدمًا. تم تركيب الساعات الثلاث في مختبر لوميس الخاص به في توكسيدو بارك، نيويورك . ^{[ ١٨ ]}

في عام 1984، درس بيير بوشيرون دقة ساعة شورت العاملة، المعروضة في المرصد البحري الأمريكي . ^{[ 3 ] [ 19 ]} وباستخدام أجهزة استشعار بصرية حديثة رصدت بدقة مرور البندول دون التأثير عليه، قارن معدل دقتها بساعة ذرية لمدة شهر. ووجد أنها مستقرة بدقة تصل إلى 200 ميكروثانية في اليوم (2.31 جزء في المليار )، أي ما يعادل معدل خطأ ثانية واحدة في 12 عامًا، وهي دقة أعلى بكثير من الثانية الواحدة في السنة التي تم قياسها سابقًا. وكشفت بياناته أن الساعة كانت حساسة للغاية لدرجة أنها رصدت التغيرات الطفيفة في الجاذبية الناتجة عن التشوهات المدية في الأرض الصلبة بفعل جاذبية الشمس والقمر. ^{[ 20 ]}    

• الساعة الرئيسية
• ساعة البندول

• هوب-جونز، فرانك (1940). ضبط الوقت الكهربائي . لندن: مطبعة NAG.
• مايلز، آر إتش (2019). سينكرونوم - رواد ضبط الوقت الكهربائي . لندن: إيه إتش إس. رقم ISBN 978-0901180551