چرا ساعت‌های کوارتز دقت بسیار بالایی دارند؟

از اواخر قرن بیستم میلادی قیمت ساعت‌های مچی شروع به کاهش کرد و دقت عمل آن‌ها بالا رفت. این امر در نتیجۀ اختراع ساعت کوارتز بود. کوارتز نوعی ساعت برقی یا باتری‌خور بود و متداول‌ترین جایگزین ساعت‌های مکانیکی به‌شمار می‌رفت.

ساعت‌های کواترز هم مدل‌های ارزان‌قیمت و هم مدل‌های فوق‌العاده گران‌قیمت دارند. بااین‌حال، نقطۀ اشتراک همه ساعت‌های کوارتز دقت فوق‌العادۀ آن‌ها در زمان‌سنجی است. برای درک بهتر این میزان دقت بسیار بالای ساعت‌های کوارتز در مقایسه با ساعت‌های مکانیکی، باید به نحوۀ کار کردن آن‌ها توجه کرد. ساعت‌های کوارتز همیشه در فرکانسی مشابه کار می‌کنند و مشکل اصطکاک به‌عنوان عامل اصلی کاهش دقت ساعت‌های دیگر در طول زمان را ندارند.

خاستگاه ساعت کوارتز

احتمالاً تا حالا «بحران کوارتز» به گوشتان نخورده باشد اما اگر در دهه 1970 یک ساعت‌ساز یا خورۀ ساعت بودید، امکان نداشت که از آن بی‌خبر باشید. از همان اوایل قرن شانزدهم میلادی و با اختراع اولین ساعت، صنعت ساعت‌سازی در طی قرن‌ها پیشرفت‌های بسیار زیادی را تجربه کرده است اما هیچ‌ رخدادی به‌اندازه ابداع ساعت کوارتز بنیان‌فکن نبوده است.

اولین ساعت کوارتز در سال 1927 در آزمایشگاه‌های تلفن بِل ساخته شد. در قرن بیستم، آزمایشگاه‌های افسانه‌ای بل محل پیدایش بسیاری ار تحول‌آفرین‌ترین اختراعات جهان بود و ساعت کوارتز نیز قطعاً دنیا را متحول کرد. آن اتفاق سال‌ها پیش از آن بود که کارخانه ماشین‌آلات کوارتز قطعات خود را در ابعادی بسیار کوچک تولید می‌کرد که متناسب یک ساعت نبود ولی پس از عملی‌شدن آن، همه‌چیز دچار تحول شد. از آنجا بود که انقلاب کوارتز آغاز شد (انقلاب یک نفر بحران نفری دیگر است).

در روز کریسمس سال 1969 یک اقدام محوری به‌وقوع پیوست. سیکو یکی از شرکت‌های ساعت‌سازی ژاپنی نسخه‌ای محدود از ساعت‌های خود با عنوان آسترون را به بازار عرضه کرد که قیمت آن در حدود قیمت یک اتومبیل بود. بر خلاف این استارت گران‌قیمت تنها چند سال دیگر طول کشید تا ساعت‌های کوارتز به سطحی از گستردگی دست پیدا کردند که ساعت‌سازان سوییسی که پیش از آن بازار را در دست داشتند، به وحشت افتادند.

مقایسه ساعت‌های آنالوگ با دیجیتال

ساعت‌های آنالوگ در اکثر دوران حیات خود به‌صورت آنالوگ بوده‌اند. یعنی صفحه نمایشگری با ساعت‌شمار و دقیقه‌شمار و معمولاً ثانیه‌شمار داشته‌اند. انقلاب کوارتز در ساعت‌سازی با رشد ناگهانی ساعت‌های دیجیتالی دارای نمایشگرهای نور الکترونیکی مصادف بود. اولین ساعت دیجیتال در سال 1972 عرضه عمومی شد که سازنده آن شرکتی آمریکایی به نام همیلتون واچ بود.

با اینکه اولین ساعت دیجیتال ساخت یک شرکت آمریکایی بود اما این کشور ژاپن بود که مفهوم ساعت دیجیتال را پذیرفت آن را بهبود بخشید و قیمت نهایی آن را نیز ارزان‌تر کرد. بدیهتاً شرکت سیکو رهبری این کار را بر عهده داشت و در مدت زمانی کوتاه به یکی از بزرگترین ساعت‌سازان جهان تبدیل شد. این شرکت پیشگام در تصمیمی هوشمندانه رو به ساخت هردوی ساعت‌های آنالوگ کوارتز و ساعت‌های دیجیتال آورد و به کوارتز در ادامه تسلط خود بر بازاری که در اختراع آن نقش داشتند، کمک نمود. برای مطالعه بیشتر در این زمینه مطلب تفاوت ساعت های دیجیتال و آنالوگ مطالعه کنید.

مبانی زمان‌سنجی

برای درک تحول عظیمی که ساعت‌های کوارتز ایجاد کردند، باید روش‌کار ساعت‌های کوارتز را دانست و بدین‌منظور نیاز به بحثی مختصر درباره روش‌کار کلی ساعت‌ها است.

 نسل اول ساعت‌ها از ترکیبی از آونگ‌ها و چرخ‌دنده‌های نوسانی برای سنجش ثانیه‌ها و سپس محاسبه ثانیه‌ها برای شمارش دقیقه‌ها و ساعت‌ها بهره می‌بردند. در ابتدا گالیله ایده استفاده از آونگ‌ها به‌عنوان ابزاری ایده‌آل برای سنجش دقیق زمان را مطرح کرد که دلیل شهرت این ایده او شاید بیشتر به خاطر دفاع او از نظریه خورشیدمرکزی بود که او را محکوم به حبس خانگی تا پایان عمرش کرد.

آونگ‌ها در واقع کاربری آسانی دارن اما استفاده از آن‌ها بر روی مچ دست دشوار است. ساعت‌های مکانیکی با چرخ‌دنگ‌ها و نوسانگرهای خود جایگزین آن‌ها شدند. این دو بخش مانند یک آونگ با هم کار کرده و گذر زمان را از طریق حرکات رفت و برگشتی می‌سنجند. در طی چندین قرن حیات ساعت‌ها این روش دقیق‌ترین ابزار برای زمان‌سنجی بوده است. پس از آن بود که نوسانات کوارتز کشف شد.

روش‌کار ساعت‌های کوارتز چگونه است؟

کوارتز دومین کانی رایج روی سطح زمین است اما صرف نظر از فراوانی آن مهمترین ویژگی آن پیزوالکتریک بودن آن است. هنگامی‌که الکتریسیته از طریق کریستال کوارتز ارسال می‌شود، کریستال کوارتز ارتعاش یا نوسان می‌کند. فرکانس نوسان کریستال‌های کوارتز، با سرعت ثابت 32678 بار در ثانیه، برای تعیین گذر زمان به‌کار می‌رود.

ساعت‌های کوارتز با استفاده از نیروی باتری بار الکتریکی ثابتی را از طریق کریستال کوارتز ارسال می‌کنند. ساعت‌های کوارتز همانند ساعت‌های مکانیکی دارای چرخ‌دنده‌هایی هستند که عقربه‌ها را می‌چرخانند (البته در ساعت‌هاب مکانیکی نمایشگرهای دیجیتال کاملاً متفاوت هستند) اما تفاوت آن‌ها در این است که ساعت‌های مکانیکی برای سنجش زمان به نوسانگر وابسته است اما در ساعت‌های کوارتز، کریستال کوارتز ابزار زمان‌سنج است

چرا ساعت‌های کوارتز دقیق‌تر از ساعت‌های مکانیکی هستند؟

اکنون که اصول اولیه روش‌کار ساعت‌های کوارتز را می‌دانید از خود می‌پرسید که چرا ساعت‌های کوارتز اصولاً دقیق‌تر از ساعت مکانیکی هستند؟ خب، عوامل مختلفی وجود دارد اما اولین موردی که بدان خواهیم پرداخت، فیزیک پایه است.

برای نوسان ساعت مکانیکی، انرژی باید از چندین قسمت آن ارسال شود تا بتواند چرخ‌دنده‌ها، چرخ‌دنگ و نوسانگر را بچرخاند. این انرژی یا از طریق کوک کردن دستی ساعت یا در ساعت‌های خودکار از طریق حرکت طبیعی مچ دست کاربر تأمین می‌شود.

این قطعات متحرک اصطکاک ایجاد کرده و انرژی مصرف می‌کنند و در نتیجه، هر چقدر هم که ساعت خودتان را به‌طور منظم کوک کنید، باز هم بخشی از تلاشتان به هدر می‌رود. ساعت‌های کوارتز قطعات متحرک را به حداقل می‌رسانند و انرژی خود را از باتری دریافت می‌کنند، ازاین‌رو نیروی لازم برای حفظ نوسان کریستال‌ها اتلاف نمی‌شود.

در خصوص نوسانات باید گفت که صرف نظر از میزان خوش‌ساخت بودن ساعت، فرکانس طبیعی ساعت‌های کوارتز همچنین ابزار زمان‌سنجی بسیار مطمئن‌تری نسبت به حرکات فیزیکی ساعت‌های مکانیکی است. حتی بزرگترین ساعت‌سازان سوئیسی نیز با محدودیت‌های ناشی از واقعیت‌های فیزیکی ساخت یک ماشین فوق‌العاده پیچیده روبه‌رو هستند.

کوچکترین اشتباه میزان دقت کارکرد ساعت را تغییر می‌دهد. بااین‌حال، مهم نیست که ساعت‌های دیگر تا چه اندازه بد طراحی شده‌ باشند، در هر صورت کریستال‌های کوارتز همیشه در فرکانسی ثابت نوسان می‌کنند.

در نهایت، دقت زمان‌سنجی تحت تأثیر نیروهای طبیعی جهان و به‌طور مشخص، نیروی جاذبه قرار دارد. قسمت‌های مکانیکی ساعت نیز مانند بخش‌های دیگر آن تحت تأثیر نیروی جاذبه قرار دارند. ساعت‌سازان قرن‌هاست که با این مشکل دست و پنجه نرم می‌کنند و برای مواجهه با این مشکل  به راه‌حل‌های متعددی از جمله طراحی‌های فوق‌العاده جالب توربیون دست پیدا کرده‌اند.

طراحی‌های مکانیکی مدرن عمدتاً اثرات گرانش زمین را از بین برده‌اند اما در خصوص ساعت‌های کوارتز، این مسأله مشکل خاصی به‌شمار نمی‌رود. کریستال‌های کوارتز بدون توجه به هرگونه عوامل مؤثر در فرکانس ثابتی نوسان می‌کنند.

این نظر یک فرد درباره این است که چرا ساعت کوارتز احتمالاً باید انتخاب اول شما برای ساعت روزمره‌تان (EDC) باشد. منظور از EDC، ساعت قابل اعتمادی است که در طول روز از آن استفاده می‌کنید.

ساعت‌های کوارتز تا چه اندازه دقیق است؟

ساعت‌های کوارتز نیز مانند ساعت‌های مکانیکی می‌توانند از نظر کیفیت تنوع بسیار زیادی داشته باشند. بااین‌حال، صرف نظر از تفاوت‌های کیفی این دو نوع ساعت، میانگین دقت یک ساعت کوارتز استاندارد بیشتر از بهترین ساعت‌های مکانیکی جهان یا در بدترین حالت برابر با آن‌ها خواهد بود.

پس از این همه بحث در خصوص دقت ساعت‌ها، مهم است بدانیم که داریم در خصوص جلوروی یا عقب‌روی چند ثانیه در طول یک روز صحبت می‌کنیم. ساعت‌های کوارتز معمولی در طول یک روز یک ثانیه جلوروی یا عقب‌روی دارند در حالی‌که این میزان در بهترین ساعت‌های مکانیکی به‌طور متوسط سه ثانیه در روز است. در بهترین مدل‌های ساعت‌ کوارتز موجود در بازار نیز این میزان به‌طور میانگین 0.02 ثانیه در روز است.

این تغییرات به حدی جزئی هستند که معمولاً فقط پس از یک دوره جلوروی یا عقب‌روی در طول چند هفته یا بیشتر متوجه آن‌ها می‌شویم. در کل، افراد تنها وقتی رو به اندازه‌گیری‌های علمی می‌آورند که به دقتی بیشتر از دقت یک ساعت کوارتز استاندارد نیاز دارند. برای این افراد، یک نوع ساعت وجود دارد؛ ساعت‌های اتمی دیواری و مچی.

برای بقیه ما موجودات فانی، ساعت کوارتز به‌اندازه‌ای دقیق است که مطمئن شویم شروع بازی بزرگ هفته را از دست نخواهیم داد.