Cas
CAS...
Pohyby Zeme a Mesiaca urcujú dlžku rokov, rocných období, mesiacov a dní. Kedysi bolo také delenie postacujúce k tomu, aby si ludia mohli primerane usporiadat svoj život, ale v dnešnej dobe je presnejšie urcovanie casu pomocou hodín a hodiniek pre väcšinu z nás nepostrádatelné. Jeden rok trvá, kým naša Zem jedenkrát obehne okolo Slnka. S tým, ako Zem obieha okolo Slnka, sa mení poloha hviezd na nocnej oblohe a na zemi sa striedajú rôzne rocné obdobia. Potom, ako bol odhalený súbeh cyklických zmien polohy hviezd na oblohe s cyklom rocných období, mohli ludia zacat prakticky využívat výsledky svojich pozorovaní nocnej oblohy. Napríklad objavenie urcitej hviezdy na oblohe znamenalo, že je na poliach potreba zasiat, aby mohla vzíst nová úroda. Starí Egyptania vedeli, že každorocné povodne na Níle zacínajú skoro potom, ako sa nad horizontom objaví hviezda Sirius. Fázy mesiaca Mesiace sú oznacované podla pravidelne sa opakujúcich zmien k vzhladu Mesiaca. Mesiac sa pohybuje okolo Zeme a pritom sa pravidelne mení jeho vzhlad k oblohe. Periódu zmien Mesiaca delíme na štyri fázy. Tieto tvarové zmeny súvisia s tým, ako v priebehu lunárneho mesiaca dopadá slnecné svetlo pod rôznym uhlom na povrch Mesiaca. Ak dopadajú paprsky na odvrátenú stranu Mesiaca, Mesiac nevidno. Túto fázu voláme novolunie (nov). Po uplynutí polovicnej doby obehu mesiaca okolo Zeme nastáva spln. Celá zo zeme viditelná cast mesiaca je natocená smerom k Slnku. Rimania založili svoj kalendár práve na týchto pravidelne sa opakujúcich premenách Mesiaca. Jeden mesiac pre nich znamenal dobu ukoncenia jedného celého cyklu Mesiaca. Dlžka dna je urcená dobou tocenia Zeme okolo svojej osi. Tento pohyb spôsobuje dojem, že Slnko vychádza a zapadá. Skutocná dlžka roku však nie je 365 dní, ale asi 365 a štvrt dna. Tento problém vyriešil Julius Ceasar roku 45 pred naším letopoctom tým, že zaviedol cyklus zostávajúci z troch rokov v dlžke 365 dní a jedného priestupného roku v dlžke 366 dní. Gregoriánsky kalendár Julliánsky kalendár fungoval pomerne dobre, ale po urcitej dobe sa zistilo, že skutocný rok je o 11 minút kratší, ako sa pôvodne predpokladalo. Táto chyba bola opravená pápežom Gregorom,ktorý vydal nariadenie, že 5. september bude považovaný za 15. september. Keby túto korekciu neurobil, kalendár by sa oneskoroval oproti skutocným zmenám rocných období. Tiež ustanovil, že každý prvý rok storocia bude priestupný iba vtedy, ak bude delitelný císlom 400. V západných krajinách je gregoriánsky kalendár používaný dodnes. Pre ludí žijúcich v dávnej minulosti bola dlžka dna a noci najkratšou známou prirodzenou periódou. Presnejšie clenenie casu sa objavilo okolo roku 4000 pred n.l., ked Egyptania den rozdelili na hodiny. Prvé zariadenie na meranie casu boli slnecné hodiny. Skladali sa z tyce zapichnutej do zeme tak, aby vrhali tien na plochu stupnice ako pohyb tiena vrhaného tycou. Poloha tiena na stupnici udávala cas. Moslimský kalendár má 354 alebo 355 v roku. Židovský kalendár má rok, ktorého pocet dní kolíše od 353 po 385. Cínsky kalendár má 60-rocný cyklus.Naprie tomu,že bol v roku 1930 v Cíne zakázaný, v niektorých oblastiach JV Ázie sa používa dodnes. Voda, piesok a cas Hlavnou nevýhodou slnecných hodín bolo to, že neukazovali cas v noci a ani cez den, ked bolo zamracené.Tento problém bol vyriešený okolo roku 1500 pred n.l. vynájdením klepsydry - vodných hodín. Najjednoduchšou verziou klepsydry bola nádoba so stupnicou vyznacenou na jej boku a s malou dierkou na dne. Voda, ktorá bola naliata do nádoby, postupne odkvapkávala dierkou v dne. Výška hladiny na kalibrovanej stupnici udávala, kolko casu už ubehlo od okamihu naplnenia nádoby. Klepsydra bola neskôr zdokonalená tým, že voda z jednej nádoby stekávala do druhej nádoby, ktorá mala plavák, ten ukazoval na stupnici uplynutý cas. Dalšou konkurujúcou alternatívou slnecných hodín boli presýpacie hodiny. Zrnká piesku prepadávali z jednej nádobky do druhej cez úzke sklenené hrdlo. Cas, za ktorý všetky zrnká prepadli, bol stále rovnaký. Tento nemenný casový interval presýpacích hodín bol obvykle polhodinový alebo hodinový. Niektorí ludia dnes používajú miniatúrnu verziu presýpacích hodín pri varení vajec. Iným nástrojom, ktorý slúžil k urcovaniu casu, bola horiaca sviecka so zárezmi. Pri horení sa skracovala sviecka aj so zárezmi a podla toho sa dalo rozpoznat, kolko hodín už uplynulo. Používanie sviecky bolo síce velmi rozšírené, ale nebolo príliš presné, pretože kvalita knôtu a vosku i prievan velmi ovplynovali rýchlost horenia. Mechanické hodiny Prvé mechanické hodiny boli vyrobené v Európe okolo roku 1275, ale presný dátum a meno ich autora nepoznáme. Závažie visiace na lanku roztácalo koleso a tým uvádzalo do chodu celý mechanizmus. Každú hodinu udrel mechanizmus do zvonu. Zanedlho boli hodiny vybavené aj rucickou a ciferníkom, aby mohli ukazovat cas neustále. Dôležitou castou hodín je mechanizmus kroku. Skladá sa z krokového kolesa a kotvy. Úlohou krokového mechanizmu je zabezpecovat rovnomernú rýchlost chodu prevodového mechanizmu hodín. Princíp kroku je v tom, že kotva svojimi pohybmi umožnuje krokovému kolesu, aby sa pri každomkmite kotvy pootocilo vždy len o jediný zub. Rýchlost pootácania krokového kolesa je daná frekvenciou kmitov oscilacného mechanizmu. Kmity oscilacného mechanizmu sú prevedené na kmitanie kotvy. Frekvencie nútených kmitov potom priamo urcuje rýchlost chodu prevodového mechanizmu hodín. Bicie hodiny Okolo roku 1330 boli v Taliansku vytvorené hodiny,ktoré príslušným poctom úderov oznamovali každú hodinu. Prvé hodiny pohánané pružinou boli vytvorené okolo roku
- 1475. Princíp tohto pohonu umožnil vznik hodín, ktoré sa dali prenášat. Táto možnost
bola u predchádzajúceho typu hodín pohánaných závažím nemyslitelná. Až do konca 15. storocia mali všetky hodiny len hodinovú rucicku. Cas v úseku sa medzi dvoma celými hodinami mohollen odhadnút. Väcšine ludí v tej dobe celkom dobre postacovala taká malá presnost v urcovaní casu. Narozdiel od nich astronómovia potrebovali k tomu, aby mohli presne zaznamenávat svoje merania, omnoho presnejšie urcovanie casu. Objavili sa nové hodiny už aj s minútovou rucickou, niekedy aj so sekundovou a túžba astronómov po presnejšom urcovaní casu bola na urcitú dobu uspokojená. Presnost kyvadla Taliansky astronóm a fyzik Galileo Galilei (1564-1642) objavil v roku 1580, že kyvadlo kmitá s vysokou pravidelnostou. V roku 1641 nakreslil plán hodín, ktorých chod mal byt riadený kyvadlom. Galileova smrt v nasledujúcom roku zabránila v dokoncení tohto zámeru. Až roku 1649 zostrojil kyvadlové hodiny podla Galileových plánov jeho syn Vincenzio spolocne so zámocníkom Balestrim. Kyvadlové hodiny dalej zdokonalil v 50. rokoch 17. storocia holandský vedec Christian Huygens a jeho práca dokázala, že kyvadlo môže byt velmi presným a spolahlivým regulátorom chodu hodín. Denná chyba obvyklých mechanických hodín mohla byt pomocou kyvadla znížená z niekolkých minút iba na 10 sekúnd. Další druh oscilacného mechanizmu sa objavil v roku 1658. Bol založený na vynáleze Roberta Hooka - na tzv. vlásku, co je jemné zvinuté pero pripevnené k zotrvacke. Pri pohyboch zotrvacky sem a tam sa vlások striedavo zvíja a rozvíja. Pravidelný pohyb krokového mechanizmu hodín. Hlavnou výhodou zotrvacky nad kyvadlom je to, že pravidelnost pohybov zotrvacky nie je príliš narušovaná ani pri prenášaní hodín. Výhody zotrvacky umožnili výrobu menších a presnejších hodín i výrobu hodín prenosných. Velký nárast obchodu okolo roku 1700 bol sprevádzaný zvýšením poctu uskut ocnených námorných plavieb. Aby mohla byt plavba co najrýchlejšia a najbezpecnejšia, potreboval navigátor poznat v každom okamihu presnú polohu lode. Najväcšie problémy pôsobilo zaistovanie zemepisnej dlžky (poctu dlžkových stupnov nameraných na východ alebo na západ od nultého, tzv. Greenwichského poludníku). Na výpocet zemepisnej dlžky bolo treba, aby na palube boli hodiny, ktoré by ukazovali presný greenwichský cas. Problémom bolo nájst dostatocne presné hodiny, použitelné aj pri plavbe po mori. Kyvadlové hodiny boli nevhodné,pretože pohyby lode narušovali pravidelnost pohybov kyvadla. Ani hodiny riadené zotrvackou neboli najvhodnejšie, pretože výrazné zmeny teploty podstatne pvplyvnovali vlastnosti vlásku, tým znižovali presnost hodín. Cena za presnost Tento problem bol natolko závažný, že britská vláda ponúkla v roku 1714 odmenu 20 000 libier tomu, kto nájde presnejší spôsob, ako zistit zemepisnú šírku. Podmienky sútaže hovorili, že presnost hodín musí byt taká, aby každý den po dobu šiestich týždnov nepresiahla denná odchýlka 3 sekundy. Odmenu nakoniec získal tesár John Harrison. Tento muž zostrojil niekolko modelov presných hodín urcených pre navigáciu lodí, tzv. chronometrov. Až jeho štvrtý model dokoncený v roku 1760 získal ponúkanú odmenu. Na skúšobnej ceste, trvajúcej 156 dní, bola u tohto chronometra nameraná odchýlka iba 54 sekúnd. Harrison totiž vymyslel spôsob, ako dosiahnút toho, aby teplotné zmeny automaticky kompenzovali zmenu dlžky vlásku v dôsledku jeho tepelnej roztažnosti tým, že zmení dlžku vlásku, ktorá je úcinná pri kmitaní zotrvacky. Moderné hodiny Aj v súcasnej dobe sa používajú mechanické hodiny, ale popularita elektrických a elektronických hodín neustále rastie. U mnohých elektrických hodín sú rucicky pohánané motorom, ktorého pohyby sú riadené privádzaním striedavého prúdu. Elektrický prúd privádzaný do motora pretecie hodinami 50-60krát tam a zase spät. Aj niektoré digitálne elektronické hodiny sú riadené týmto spôsobom, ovšem s tým rozdielom, že cas je zobrazovaný pomocou svietiacich císlic. Elektronické hodiny musia obsahovat svoj vlastný oscilacný machanizmus. Obvykle je tvorený kryštálom kremena. Elektrický prúd privedený na kryštál kremena vyvoláva jeho kmitanie s takmer konštantnou frekvenciou. Kmitací kryštál vyvoláva vznik pravidelných impulzov elektrického prúdu. Tieto impulzy riadia bud zmeny císlic zobrazovaných na displayi, alebo pohyb mechanických ruciciek. Vela hodín pracuje na tomto princípe. Kryštálom riadené hodiny a hodinky môžu dosahovat dennú odchýlku 1/30 sekundy. Atómové hodiny mnohonásobne prekonávajú aj túto pomerne vysokú presnost.Využívajú kmity urcitých druhov atómov, napr. atómov cézia, a môžu na svojom displayi ukazovat cas s maximálnou chybou 1 sekundu za tisíc rokov chodu. Tieto hodiny sú používané bud k pokusom, ktoré vyžadujú presnost merania casu alebo k definovaniu casu samotného: súcasná definícia vymedzuje 1 sekundu ako dobu, za ktorú vykoná atóm cézia, pri splnení urcitých predpísaných podmienok, 9 192 631 770 kmitov. Cas formuje základy mnohých vedeckých zákonov, ale definovat ho ako taký nie je jednoduché. Cas, podobne ako vzdialenost, oddeluje objekty a udalosti, preto ho možno pokladat za štvrtú dimenziu. Cas však nemôžeme merat priamo; musíme sa uspokojit s takým meraním, akým jeho plynutie ovplyvnuje veci. Cas sa vždy pohybuje dopredu. Dokazuje to fakt, že udalosti, ktoré sa uskutocnili, nemožno vrátit spät.My meriame cas, akoby plynul stále rovnakou mierou, ale stáva sa, že plynie všeliajko - v závislosti od toho co clovek práve robí. ten, kto sa zabáva má pocit, že mu uteká, a naopak, pri monotónnej práci plynie pomaly. Tento jav je známy ako subjektívny cas. Casové sústavy Obežná dráha Zeme nie je kruhová, ale eliptická, že Slnko sa voci hviezdam nepohybuje konštantnou rýchlostou.Väcšina bežných casových sústav je preto založená na hypotetickom pojme °°stredného Slnka°°, definovanom tak, že pocítame s pohybom Slnka akoby sa pohybovalo konštantnou rýchlostou rovnajúcov sa priemernej rýchlosti pravého Slnka. Den je cas, za ktorý sa Zem otocí okolo svojej osi. Hviezdny (siderický) den sa ráta voci hviezdam a je to cas, ktorý uplynie medzi dvoma za sebou nasledujúcimi prechodmi tej istej hviezdy miestnym poludníkom. Poludník je myslená ciara vedúca od severu na juh, cez bod, ktorý leží priamo nad pozorovatelom.Jeden siderický den má 23 hodín, 54 minút a 4 sekundy. Slnecný den vypocítame vzhladom na stredné Slnko. Stredný slnecný den trvá 24 hodín. Rok je cas, za ktorý prejde Zem svoju obežnú dráhu okolo Slnka. Skutocný cas obehu Zeme okolo Slnka je 365 dní, 6 hodín, 9 minút a 10 sekúnd a je známy ako hviezdny rok. Sklon zemskej osi sa mení; spôsobuje to jav, ktorý sa volá precesia. Severný svetový pól teraz leží blízko hviezdy Polárky v súhvezdí Malého voza. Okolo roku 14 000 bude zemská os naklonená iným smerom a blízko severného svetového pólu bude jasná hviezda Vega v súhvezdí Lýra. Tento jav spôsobuje i to, že sa mení poloha zdanlivej slnecnej dráhy voci hviezdam. Tropický rok kompenzuje efekty precesie a má 365 dní, 5 hodín, 48 minút a 45 sekúnd. Práve tropický rok sa používa pri vytváraní kalendára. Jednotkou SI casu je sekunda, ktorá bola pôvodne definovaná ako 1/86 400 stredného slnecného dna.Pretože však Zem nie je práve najlepší casomerac, vedci ju už nevyužívajú pri definovaní základnej jednotky casu. Sekunda sa definuje ako cas trvania 9 192 631 770 periód žiarenia,zodpovedajúci prechodu medzi dvoma hladinami velmi jemnej štruktúry základného stavu atómu cézia 133.