Saat
Saat, zamanın ölçülmesinde kullanılan alettir. Saatlerin ana parçalan, eşit zaman aralıklannda düzenli hareketler yapan bir zaman sayma düzeneği ile hareket sayısını kaydeden sayma mekanizmasıdır. Örneksel ya da analog saatler, zamanı ibreler (kollar) yardımıyla gösterir; ibreler, zaman aralıklarına bölünmüş bir kadranın üzerinde döner (örneksel, benzer demektir; kolların hareketi zamanın geçişini temsil eder). Sayısal ya da dijital saatler ise zamanı sayılarla gösterir; bu gösterim genellikle sıvı kristallerle sağlanır. Zaman aralıkları (örneğin saat başları) bazen bir zil sesiyle ya da bir elektronik devrenin çıkardığı sesle ayrıca vurgulanabilir.
Mekanik Saatler
Mekanik saatlerde, saati gösteren kola akrep denir; akrep, her 12 saatte bir kez, yani günde iki kez kadranı dolanır. Dakikayı gösteren ve akrepten daha uzun olan kola yelkovan denir; yelkovan saatte bir kez, yani günde 24 kez kadranı dolanır. Saniyeleri gösteren kol ise, genellikle değişik renkli uzun bir kol biçimindedir ve bu kol da hızla kadranın üzerinde döner; ama saniyeleri göstermek için, ana kadranın bir kenarına yerleştirilmiş ayrı bir küçük saniye kadranı ve minik bir saniye kolundan da yararlanılabilir. Saniye kolu dakikada bir kez kadranı dolanır.
Kolların farklı hızlarda hareket edebilmesini sağlamak için, bu kolların takılı oldukları miller birbirine zaman dişlileri denen bir dizi dişli çarkla bağlanmıştır. Çapları ve diş sayıları farklı olan bu çarkların dişleri birbirine geçecek, yani birbirini kavrayacak durumdadır. Diş sayılarının farklı olması, millerin farklı hızlarda dönmesini sağlar. Eğer iki dişli çarktan birinin 10, öbürünün ise 50 dişi varsa, bu iki dişli birbirini kavradığında, büyük dişlinin her dönüşüne karşılık küçük dişli beş kez döner; çünkü bu iki dişlinin birbirine hız aktarma oranı 10/50, yani 1/5’tir. Demek ki, 1/60 oranını verecek
bir diş sayısı seçilerek, dakika ve saat kollarının birbirlerine göre doğru hızlarda hareket etmesi sağlanabilir.
Saatin işlemesi için, zaman dişlilerini çalıştıracak bir enerji kaynağına gerek vardır. Bu, asılı durumdaki bir ağırlık, bir yay ya da elektrik olabilir. Sarkaçlı ya da zemberekli saatler kurulurken ağırlığı yukarıya kaldırmak ya da yayı sıkıştırmak için yapılan iş, yükseltilmiş ağırlıkta ya da sıkışmış yayda potansiyel enerji olarak depolanır ve daha sonra bu enerji yavaş yavaş serbest bırakılarak çark takımı çalıştırılır. Bu potansiyel enerji saati en az 24 saat çalıştırmaya yeter.
Buraya kadar anlatılan kadarıyla zaman dişişlilerinin zamanı sayma özelliği yoktur. Eğer kurulu bir saatin ağırlığı ya da yayı herhangi bir sınırlama olmaksızın aniden serbest bırakılırsa, kollar denetimsiz bir biçimde hızla döner ve 24 saatlik gün birkaç saniye içinde tükenip biter Bunu önlemek için, enerjinin az miktarlarda ve düzenli aralıklarla serbest bırakılması gerekir. Bu, saatin zaman sayma düzeneğine, örneğin sarkacına bir eşapman bağlanarak gerçekleştirilir. Eşapman, bir eşapman çarkı ile bu çarkın üzerinde yer alan bir mandaldan oluşur. Eşapman çarkı bir dizi dişli çark tarafından döndürülür, mandal ise eşapman çarkını tutup bırakarak bu çarkın adım adım, diş diş dönmesini sağlar. İleri doğru her hareketinde eşapman çarkının bir dişi, maşa denen çapa biçimli mandalın ucuna takılır. Diş maşayı hafifçe iter, maşa da bu hareketi sarkaca aktararak sarkacın salınmasını sağlar. Eşapman çarkının dönme hareketi devam eder, diş iterek maşadan kurtulur, ama bu kez ardından gelen diş maşaya takılır ve böylece aynı şeyler yinelenerek sürüp gider.
Eşapman çarkı da zaman sayma mekanizmasının bir parçasıdır. Sarkacın her salmımı eşapman çarkını bir diş ilerletir; böylece, eğer eşapman çarkının üzerinde 60 diş varsa, sarkacın her 60 salınımmda çark bir tam dönüş yapmış olur. Eğer eşapman çarkı saniye koluna doğrudan doğruya bağlıysa ve sarkaç bir tam salmımmı 1 saniyede yapıyorsa, o zaman saniye kolu da kadranı her 60 saniyede bir kez dolanır.
Sarkacın ileri-geri bir tam salınım yapma süresi (periyodu), takılı olduğu eksen ile ucundaki ağırlığın merkezi arasındaki uzunluğa bağlıdır; bu uzunluk ne kadar büyükse salınım süresi de o ölçüde uzun olur. Demek ki, sarkaç basit ama doğru sonuç veren bir zaman sayma aracıdır. İngiltere’de Londra’daki parlamento binasında bulunan ünlü Big Ben saatinin sarkacı 4 metre uzunluğundadır, periyodu ise 4 saniyedir; alanlarda kurulu olan saat kulelerindeki saatlerin ve evlerde kullanılan duvar saatlerinin sarkaçlarının uzunluğu 25 cm, periyotları ise 1 saniyedir. Saatin ileri gitmesi ya da geri kalması durumunda, sarkacın ucundaki ağırlık bir vida yardımıyla çubuğun üzerinde yukarı ya da aşağı kaydırılarak saatin duyarlılığı yeniden ayarlanır. Örneğin, periyodu 2 saniye olan bir sarkacın uzunluğu yaklaşık 990 milimetredir. Bu uzunluğun 0,025 mm artırılması saatin günde 1 saniye geri kalmasına neden olur.
Sarkaçlı saatlerin ayarının bozulmasının başlıca nedeni sıcaklık değişimleridir. Eğer metal bir çubuk ısıtılırsa genleşir (uzar); soğutulursa tam tersine, büzülür (kısalır). Saat sarkaçlarının çubuğundaki benzer değişiklikler saatin geri kalmasına ya da ileri gitmesine yol açar. Bunun üstesinden gelmenin bir yolu, sarkaç çubuğunu genleşme miktarları farklı iki metalden yapmaktır; böylece iki farklı genleşme miktarı birbirini “götürebilir” ve ağırlığın eksenden hep aynı uzaklıkta kalması sağlanır. Daha ucuz bir yöntem de, çubuğu çok az, önemsenmeyecek düzeyde genleşen bir alaşımdan, örneğin invar çeliğinden yapmaktır.
Elektrikli Saatler
Elektrik hem önemli bir enerji kaynağıdır, hem de bir elektrik kaynağından zaman sayma düzeneği olarak yararlanılabilir. Kent şebekesinden evlere beslenen alternatif akım saniyede 100 ya da 120 kez
yön değiştirir ve bu nedenle de frekansı 50 ya da 60 hertzdir. (1 hertz, saniyede 1 çevrime
eşittir.) Bu tür bir şebekeye bağlı bir senkron (eşzamanlı) elektrik motorunun birim zamandaki dönme
(devir) sayısı akımın frekans değerine eşittir. Bu nedenle senkron motorlar zaman sayma işlevi üstlenebilir ve uygun dişli çarkların yardımıyla bir saatin kollarını doğru hızlarda döndürebilir. Ama günümüzde kent şebekesinden beslenen elektrikli saatlerin yerini pille çalışan kuvars kristalli saatler almaktadır. Senkron saatler ise daha çok video aygıtlarında, merkezi ısıtma programlayıcılarında ve
kent şebekesinden beslenen öbür elektrikli aygıtlarda kullanılmaktadır.
Sanayi ve ticarette merkezi sistemlerden yaygın olarak yararlanılır. Bu sistemde zaman sayma düzeneği bir sarkaçtır. Sarkaç, sıradan sarkaçlı saatlerde olduğu gibi bir dişli çarkı hareket ettirir. Bu çark her bir tam dönüşünde bir mandalı serbest bırakır ve mandal düşerek sarkaca bir itme sağlar. Bu mandal aynı zamanda bir elektromıknatısı da harekete geçirir; elektromıknatıs mandalı üst konumuna geri döndürür ve dakika kolunu yarım dakika ilerletir. Elektrik darbesi binadaki ana saate bağlı bütün öbür saatlerin kollarını da eşzamanlı olarak ve aynı ölçüde hareket ettirir. Bu sistemde elektrikten bir zaman sayma düzeneği olarak değil, elektromıknatısı işletmek ve saat kollarını hareket ettirmek için yalnızca bir enerji kaynağı olarak yararlanılır.
Kuvars Kristalli Saatler
Pille çalışan elektrikli saatlerde, elektrik zaman sayma düzeneği olarak işlev görmez; bu işi bir kuvars kristali yerine getirir. Kuvars bol bulunan bir mineraldir ve doğada çok farklı biçimlerde bulunur. Saat yapımında kullanılan kristallerin çok katışkısız, saf halde olması gerekir; bu kadar saf kristaller doğada pek bulunmaz, bu nedenle de insanlarca yapay olarak üretilir. Belirli büyüklükteki bir kuvars kristalinin doğal bir titreşim frekansı vardır. Saatlerde kullanılan kristallerin frekansı yaklaşık 1 milyon hertzdir. Kuvars kristalin yüzeyine elektrotlar (metal kontaklar) iliştirilirse, bir elektronik devrenin yardımıyla kristaldeki titreşimler sayılabilir. Ama kristaldeki titreşim frekansı zaman ölçümü açısından çok yüksektir; bu nedenle bu frekans elektronik ve mekanik yöntemlerle azaltılır ve saat kollarını döndüren bir kademeli motora uygulanır. Örneğin, bir kristalin 1 milyon hertzlik frekansı milyonda birine indirgenerek saniyede 1 titreşim yapacak duruma getirilebilir. Kristal titreşimleri o kadar düzenlidir ki, kuvars kristalli saatlerin bazıları 10 yılda yalnızca 1 saniye ileri gider ya da geri kalır.
Küçük Mekanik Saatler ve Kol Saatleri
Masa, cep ya da kol saati gibi küçük mekanik saatlerde, zaman sayacı olarak sarkaç kullanılamaz; çünkü en küçük bir sarsıntı sarkacın çalışma düzenini ve ayarını bozar. Bu nedenle bu tür saatlerde balans çarkı kullanılır. Bu, sürekli olarak tek bir yönde dönmek yerine, yön değiştirerek önce bir yana, sonra öbür yana dönerek hareket eden çember biçimli bir çarktır. Balans çarkı, içeriden çok ince bir yaya, bazen pandül de denen balans yayı'na tutturulmuştur. Balans çarkı belirli bir yönde dönerken balans yayı gerilir ya da bir başka deyişle kendi üstüne “sarılır” ; bu sırada çark da yavaşlayıp durur ve yay sarımlarının açılmaya başlamasıyla birlikte çarkın dönme yönü değişir. Balans çarkına herhangi bir enerji beslemesi olmazsa çarkın salmımı, yani ilerigeri hareketi kısa bir süre sonra durur. İşte bu enerjiyi zemberek denen ve kurularak sıkıştırılan bir yay sağlar ve zembereğin hareketi, sarkaçlı saatlerde olduğu gibi bir eşapmanın aracılığıyla balans çarkına aktarılır.
Balans çarkının dengesi çok iyi ayarlanmalıdır (balans sözcüğü Türkçe’ye “denge” anlamına gelen Fransızca bir sözcükten geçmiştir). Merkezinden tutturulduğunda, çarkın hiçbir kesimi öbür bölümlerine oranla daha ağır ya da daha hafif olmamalıdır. (Aynı durum otomobil tekerlekleri için de geçerlidir ve bunun için tekerleklere “balans ayarı” yapılır.) Balans çarkları genellikle saniyede 2,5 salınım, yani saatte 9.000 salınım yapacak biçimde tasarımlanır (bu tür bir saatte 1 saniyede 5 “tik” sesi duyulur). Balans çarkının hızı, balans yayının çalışma uzunluğunu değiştirmeye yarayan küçük bir kolun yardımıyla ayarlanır. Yayın kısaltılması çarkı hızlandırır ve saatin daha hızlı işlemesini sağlar; yayın uzatılması ise saatin daha yavaş işlemesine neden olur.
Bu tür saatlerdeki eşapman maşasının bir ucunda, eşapman çarkının dişlerine geçen iki tırnak bulunur; bu iki tırnak çarkın diş diş dönmesini sağlar. Maşanın öbür ucu çatal biçimindedir ve bir pim aracılığıyla balans çarkına tutturulmuştur. Böylece maşa balans çarkını belirli aralıklarla iterek bu çarkın salınmasını sağlar, ayrıca ondan aldığı salınım darbeleriyle balans çarkını itmeyi sürdürür. Maşanın balans çarkına tutturulduğu pim, zor aşman, sürtünmeyi azaltmak için yüzeyi önemli ölçüde perdahlanabilen bir değerli taş olan yakuttan yapılır.
Kuvars Kristalli Kol Saatleri
Kuvars kristalli bir kol saatinin mekanizmasına modül denir. Bu saatlerde zaman sayma düzeneği, 32.768 hertzlik bir frekansla titreşen, kâğıt inceliğinde bir yapay kuvars yaprağıdır. Saatin enerji kaynağı ise, yaşam süresi en az bir yıl olan düğme pildir. Kuvars kristaline enerji, bir silisyum mikroçipine yerleştirilmiş çok sayıdaki elektronik devre elemanından (transistörler, dirençler ve sığaçlar) oluşan bir tümleşik (entegre) devre aracılığıyla gönderilir. Bu tümleşik devre saatin “beyni” görevini görür ve pilden aldığı enerjiyle kuvars kristalini titreşim halinde tutar. Her titreşimde, kuvars kristali tümleşik devreye bir vuru gönderir; tümleşik devre, “bölme” denen bir süreçle bu vuruları saniyede 1 vuruya indirger.
Saatin bundan sonraki mekanizması göstergenin tipine bağlıdır: Örneksel tipteki saatin küçük bir kademeli motoru vardır. Kademeli motor küçük bir elektromagnetik aygıttır ve motorun rotor denen bir döner parçası vardır. Tümleşik devreden gelen her vurunun etkisiyle rotor döner ve bu dönme hareketi bir dizi dişli aracılığıyla saatin kollarına iletilir.
Sayısal göstergeli saatlerde ise kademeli motor yoktur. Örneksel saattekinden daha büyük olan tümleşik devre sıvı kristalli göstergeyi denetler ve ona zamanı göstermesi için gerekli bilgiyi iletir.
Zaman Standartları
Zamanın doğru olarak ölçülmesinden ilk yararlananlar, gemilerin seyir görevlileri oldu. 1530’da Hollandalı bilgin Gemma Frisius, kalkış limanındaki zamana göre doğru olarak ayarlanmış bir saatin gemide bulundurulması durumunda, seyir görevlisinin Güneş tam öğlen konumundayken bu saatten zamanı okuyarak kaç boylam derecesi yol alındığını bulabileceğini göstermişti. Ama bunun için çok duyarlı saatlere gereksinim vardı; bu amaçla yarışmalar düzenlendi ve duyarlı bir saat geliştireceklere büyük ödüller vaat edildi. Sonunda 1735’te Yorkshire’lı saat yapımcısı John Harrison, 1 Numara adını verdiği zemberekli kronometresini yaptı. Bunu, oğlu William'ın İngiltere ile Jamaika arasında yapılan bir deniz yolculuğunda denediği ünlü 4 Numara kronometresi izledi. İstenen sonuca ulaşılmıştı. Bugün ise konum belirlemek için işaret kulelerinden ya da yapma uydulardan alınan radyo sinyallerinden yararlanılmaktadır.
Uzay yolculuklarının başlamasıyla, zamanı son derece duyarlı ve doğru olarak ölçen saatler yapılmaya başlanmıştır. Uzay araçları çok hızlı yol aldığından ve çok uzaklara gidebildiğinden, uzay aracının öngörülen uzay noktasına hiçbir sapma göstermeksizin ulaşabilmesi için bilgisayarların uçuş rotalarını ve hızlarını sürekli olarak denetlemesi gerekir. Bu alanda geliştirilen en duyarlı saatler sezyum demetli atom saatleridir; bu saatlerin hata oranı 1 milyon yılda 1 saniyeden daha azdır. Öbür saatler de sezyumlu saatlere göre ayarlanabilir. İlk sezyumlu saat 1955’te İngiltere’deki Ulusal Fizik Laboratuvarı’nda kullanıldı. Bugün bunlardan binlercesi dünyanın çeşitli yerlerinde kullanılmaktadır; bazıları uçaklara ve uydulara yerleştirilmiştir.
Sezyumlu saatler uzun menzilli radyo sinyalleri göndererek başka saatleri de denetleyebilir. Örneğin, İngiltere’de Ulusal Fizik Laboratuvarı’ndaki sezyumlu saatin 1.000 km uzağa radyo sinyalleri gönderen bir vericisi vardır; yani bu ülkedeki bütün saatler bu atom saatinin menzili içindedir.
Çeşitli ülkelerde telefon şirketlerinin sunduğu saat bildirme servisleri genellikle sezyumlu saatlere göre ayarlanır. Sözcükler bilgisayarın belleğinde sayısal olarak depolanır ve zamana ilişkin duyurular spikerce kaydedilen sözcüklerden elektronik olarak derlenir.
Zaman Ölçümünün Tarihsel Gelişimi
Mekanik saatlerin bulunmasından önce, manastırlarda ve kalelerde zamanı duyurmak için çanlar kullanılırdı. Çanı çalacak görevli zamanı güneş saatinden, kum saatinden ya da su saatinden belirlerdi. Ama bunlar pek fazla güvenilebilecek aygıtlar değildi.
Avrupa’da ilk mekanik saatler 13. yüzyılda ortaya çıktı; bunları yapanlar demirci ustalarıydı. Bu saatler ağırlıkla çalıştıklarından ve ayrıca çok sık kurma gereğini ortadan kaldırmak için kilise kulelerine ya da yüksek binaların çatılarına yerleştirilirdi. Önceleri bunların kadranı ya da akrep ve yelkovan kolları yoktu; zamanı bir çanın çalmasıyla duyururlardı. Dünyanın hâlâ işleyen en eski saati İngiltere’de Salisbury Katedrali’ndedir. (Bu saat 1386 dolaylarında yapılmış ve 500 milyon kezden
daha çok “tik-tak”ladıktan sonra 1956’da elden geçirilmiştir.) İlk ev saatleri kule saatlerinin küçültülmüş türleriydi ve bunların da duvarda yüksek bir yere yerleştirilmesi gerekirdi.
15. yüzyılın ortalarında zemberek sisteminin bulunmasıyla daha küçük saatlerin yapılabilmesi olanaklı oldu. 1500 dolaylarında Peter Henlein adındaki bir Alman çilingir taşınabilir türden ilk saati yaptı. Bu saatlerin kadranı üzerinde yalnızca saat kolu (akrep) vardı; dakika kolu (yelkovan) ise ancak 1670’te ortaya çıktı. İlk taşınabilir saatler özel keselerde taşınıyordu.
1582’de Galileo sarkacın zamanı sayabilme özelliğini fark etti ve 1656’da HollandalI astronom Christiaan Huygens bu ilkeyi saatlere uyguladı. Bu buluş saat yapımcılığının hızla yaygınlaşmasına yol açtı. O dönemde yapılan saatlerin sarkaçları kısaydı ve ağırlıkla çalışıyordu. Saatler ahşap bir kutu içine yerleştiriliyor ve duvara asılıyordu. 1670’te İngiliz saat yapımcısı William Clement, salınımını bir saniyede tamamlayan (periyodu bir saniye olan) uzun sarkacı geliştirdi. Daha sonra da uzun sarkaç ve ağırlığın bir kutunun içine alınmasıyla, uzun kutulu saatler ortaya çıktı.
İngiliz saatleri 17. ve 18. yüzyılda Kuzey Amerika’da kullanıldı, ama Bağımsızlık Savaşı’ndan (1775-83) sonra Amerikalı saat yapımcıları kendilerine özgü saat türleri geliştirmeye giriştiler. 1802’de ünlü saat ustası dört kardeşten biri olan Simon Willard (1753-1848), banço (bir tür çalgı) saatin patentini aldı. Bu, banço biçimindeki bir kutu içine yerleştirilmiş uzun sarkaçlı bir duvar saatiydi. Banço saatler bir kez kurulduktan sonra sekiz gün durmadan işliyor ve oldukça doğru çalışıyordu. İlk ucuz saatler 19. yüzyılın başlarında ABD’de piyasaya sürüldü. Connecticut’lı Eli Terry (1772-1852), bazı hareketli parçaları ahşaptan yapılmış çeşitli konsol ve masa saatleri yaptı.
Huygens’in 1670’lerin ortalarında balans yayını geliştirmesi, taşınabilir saatlerin gerçek bir cep saati haline getirilmesini olanaklı kıldı. (İngiliz fizikçi Robert Hooke da 1650’lerin sonunda bu tür bir saat yapmış olduğunu ileri sürmüştür.) Balans yayının bulunmasıyla, balans çarkının doğruluk ve güvenilirlik oranı büyük ölçüde arttı. Bir başka büyük gelişme de Thomas Mudge’ın 1765’te maşalı eşapmanı geliştirmesi oldu. Maşalı eşapmanla balans çarkının serbestçe salınımda bulunması olanağı doğdu.
İlk ucuz cep saatleri de ABD’de üretildi. Özellikle, Robert H. Ingersoll’un (1859-1928) ürettiği saatler İngiltere’de çok tutuldu. Kol saatleri 1890 dolaylarında ortaya çıktı ve bu tür saatleri yıllarca yalnız kadınlar taktı. Ama kol saatleri I. Dünya Savaşı (1914-18) sırasında erkekler arasında da yaygınlaştı ve hızla cep saatlerinin yerini aldı.
Kanadalı W. A. Marrison’ın ABD’deki Bell Laboratuvarları’nda kuvars kristalli saati geliştirmesi zaman ölçümünde yeni bir çığır başlattı. Bugün artık bu ilkeye göre işlemeyen pek az saat kalmıştır. Enerjisini bir yıl ya da daha uzun ömürlü minik bir pilden sağlayan bu saatlerin kurulmasına gerek yoktur. Zamanı son derece duyarlı biçimde ölçen kuvars kristaller ve elektronik devreler o kadar küçük yapılabilmektedir ki, geleneksel bir saatin hacmi kadarlık bir yere, başka pek çok işlevi de yerine getirecek ek devreler yerleştirilebilmektedir. Kronometre, takvim ve alarm gibi kolaylıkları bulunan saatlere artık herkeste rastlanmaktadır. Radyosu, hesap makinesi, birleştirilmiş sayısal ve örneksel göstergesi olan, hatta ayın evrelerini gösteren saatler de yaygınlaşmıştır.
