Mechanik

Gleichförmige Bewegung

Geschichte der Zeitmessung

  • Was versteht man unter einer 'gleichförmigen Bewegung'?
  • Wie definiert man eigentlich 'Geschwindigkeit'?
  • Wie misst man denn Geschwindigkeiten?
  • Vom Schneckentempo bis zur Lichtgeschwindigkeit

Geschichte der Zeitmessung

  • Was ist Zeit? Wenn mich jemand danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht mehr.
    Augustinus (354 - 430 n. Chr.)
  • In der Physik lernst du nicht, was Zeit ist, sondern du erfährst, wie man Zeit misst.
  • Grundlage einer jeden "Uhr" ist ein Vorgang, der sich in gleicher Weise dauernd wiederholt. Die Schwingung eines Pendels oder einer Feder, die Drehung der Erde um ihre Achse und ihre Bewegung um die Sonne sind Beispiele hierfür. Jeder Wiederholung des Vorganges ordnet man definitionsgemäß die gleich Zeitdauer zu.

Schon um 2000 v. Chr. hatten die Babylonier einen ersten Mondkalender. Die Länge eines Monats ging von Neumond bis Neumond. Die Einteilung des Jahres erfolgte in 12 Monate zu abwechselnd 29 und 30 Tagen.

Sonnenuhren

  • Wenn der Schatten einer Säule (z.B. Obelisk) oder eines Stabes (Gnomon) am kürzesten war, so war es Mittag. Die verschiedenen Orte der Schatten eines Obelisken sind bei den Ägyptern schon zur Zeitmessung verwendet worden. Die Römer teilten die Zeit zwischen zwei Sonnenhöchstständen in 24 Stunden auf.

  • Etwa 400 v. Chr. baute Aristarch von Samos die erste Sonnenuhr. Er versah die Ebene, die den Schatten aufnahm, mit einer Skalierung.

    Bei den Römern, welche die Einteilung des Tages in 24 Stunden einführten, gab es übrigens schon „Reise-Sonnenuhren“, die schon an den jeweiligen Beobachtungsort anzupassen waren.

Sand- und Wasseruhren

In der Nacht oder bei bedecktem Himmel versagte allerdings die Sonnenuhr. Zunächst führte man kleinere Einheiten wie den Pulsschlag oder die Abbrennlänge einer Kerze ein. Etwas mehr Genauigkeit erreicht man schließlich durch Wasser- und Sanduhren.

Vergleiche hierzu auch Aufgabe BSV Physik 1 Seite 29/2.

Räderuhren

Im 13. Jahrhundert wurden die ersten Räderuhren auf Kirchtürmen gebaut. Sie waren anfangs sehr ungenau und hatten Gangfehler bis zu 1-2 Stunden.

Die Schwingungsdauer eines Pendels ist unabhängig von der Auslenkung (Galilei 1600 n. Chr.). Dies nutzte Huygens 1657 beim Bau der ersten Pendeluhr aus. Um die Reibungsverluste des Pendels auszugleichen, erhält es, wenn der mit dem Pendel verbundene Anker das Zahnrad freigibt, einen Stoß, so dass die Schwingung aufrecht erhalten bleibt. Der Gangfehler einer Pendeluhr mittlerer Qualität beträgt ca. 3 Sekunden am Tag. Diese Pendeluhren waren erheblich genauer als z.B. Wasseruhren. Sie erforderten aber eine exakt lotrechte Lage. Durch die Verwendung der Unruhfeder (Federpendel) konnten robustere und kleinere Uhren gebaut werden.

Uhrwerk der Sebaldus-Kirche in Nürnberg

Quarzuhren

Am häufigsten werden heute Quarzuhren verwendet. Deren Funktionsweise beruht auf den Dickenschwingungen von Quarzkristallen. Der Gangfehler ist etwa 0,0001 s am Tag.

 

Atomuhren

Die genauesten Uhren stellen heute die sogenannten Atomuhren dar. Deren Funktion beruht auf den Eigenschwingungen von Atomen, von denen man glaubt, dass ihre Dauer extrem konstant ist. Die Ganggenauigkeit dieser Uhr ist etwa eine hundertmillionstel Sekunde pro Tag.

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