นาฬิกาลูกตุ้ม (Pendulum Clock)

นาฬิกาลูกตุ้ม เป็นวิวัฒนาการ ที่เอาหลักการของนาฬิกาแบบน้ำหนักถ่วง มารักษาสมดุลของการหมุน โดยใช้การแกว่งของลูกตุ้ม เพื่อให้เวลาที่เดินคงที่ยิ่งขึ้น

หลักการแกว่งของลูกตุ้ม ที่แกว่งกลับไปกลับมา เราเรียกว่า Simple Pendulum ถูกสังเกต และค้นพบโดยกาลิเลโอ (Galileo) ตั้งแต่ราวปีค.ศ. 1580 โดยกาลิเลโอพบว่า ช่วงเวลา (หรือคาบ) ที่ลูกตุ้มแกว่ง จะมีค่าคงที่ ไม่ว่าลูกตุ้มจะแกว่งเร็ว หรือช้าก็ตาม กาลิเลโอได้พยามยาม นำเอาหลักการแกว่งของลูกตุ้ม ไปใส่ในนาฬิกา ตั้งแต่ราวปี ค.ศ. 1640 (ก่อนกาลิเลโอจะเสียชีวิต 1 ปี) แต่ไม่สำเร็จ

บุคคลแรก ที่สามารถนำเอาหลักการของการแกว่ง (Pendulum) รวมกับหลักการ ของการรักษาสมดุลนาฬิกา โดยใช้ Escape Wheel ได้สำเร็จ คือ นักดาราศาสตร์ชาวดัชท์ ชือ Christiaan Huygens โดยสามารถประดิษฐ์นาฬิกาลุกตุ้ม เรือนแรกของโลกได้ ในปี ค.ศ. 1656

ในปีค.ศ. 1671 ได้มีการออกแบบ Pallot ใหม่ ให้เขี้ยวเป็นรูปกว้านสมอ (Anchor) เพื่อที่จะเหวี่ยง และล๊อคกลับไปกลับมาได้ดียิ่งขึ้น ทำให้นาฬิกา ที่รักษาสมดุลของการแกว่ง โดยใช้ลูกตุ้ม มีความแม่นยำยิ่งขึ้น โดยผิดพลาดเพียง ไม่กี่วินาทีต่อวันเท่านั้น

ในช่วงแรก พลังงานหลักที่ใช้ขับนาฬิกาลูกตุ้ม ยังคงใช้น้ำหนักถ่วง (Weight-Driven) ซึ่งต่อมา Huygen's ได้พัฒนา มาเป็นใช้ขดลวดสปริง (Coil Spring) และต่อมา ได้มีการพัฒนา เป็นแบบใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ในปี ค.ศ. 1906 ในภายหลัง

ที่มา : http://203.114.105.84/virtual/Physicals/skywatcher/Pendulum.htm

นาฬิกาสปริง (Spring-Driven Clock)

นาฬิกาสปริง เป็นนาฬิกาที่สามารถลดขนาดของนาฬิกา ที่เดิมมีขนาดใหญ่ ให้เล็กลงมา ซึ่งต่อมา ได้พัฒนา จนกลายเป็นนาฬิกาข้อมือ (Watches) ในช่วงปลายคริสตศตวรรษที่ 15

ในสมัยแรก ได้มีการใช้ขดลวดมาขดเป็นสปริง เพื่อหมุนนาฬิกา แทนการใช้น้ำหนักถ่วง ซึ่งข้อดีคือ ทำให้นาฬิกา มีขนาดเล็กลงได้ แต่ข้อเสียคือ เวลาที่เดินจะไม่คงที่ โดยนาฬิกาจะเดินเร็วในช่วงแรก เนื่องจากแรงสปริงยังมีมาก และเดินช้าลงเรื่อยๆ เมื่อสปริงเริ่มคลาย

ต่อมาในปี ค.ศ. 1674-5 นักดาราศาสตร์ชาวดัสท์ ชื่อ Christiaan Huygens ได้เพิ่ม Balance Spring เข้าไปอีกตัว เพื่อถ่วงสมดุลของนาฬิกา ให้นาฬิกาเดินคงที่ขึ้น โดยอาศัยหลักการของ Escape Wheel และ Pallet (ตัวล๊อค) คล้ายกับในนาฬิกาแบบน้ำหนักถ่วง Escape Wheel ซึ่งหมุนและผลัก Pallet ให้ขยับจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง โดยมี Balance Spring คอยผลักให้กลับไปอีกด้านหนึ่ง สลับไปสลับมา ทำให้จังหวะในการหมุนของนาฬิกา คงที่ได้

ที่มา : http://203.114.105.84/virtual/Physicals/skywatcher/Spring.htm

นาฬิกาน้ำหนักถ่วง (Weight-Driven Clock)

เป็นนาฬิกากลไกแบบแรกของโลก แม้ว่า จะไม่มีหลักฐานของที่มา หรือการค้นพบ แต่นาฬิกาแบบน้ำหนักถ่วง ที่เก่าแก่ที่สุด สร้างขึ้นในประมาณ ปี ค.ศ. 1309 ที่หอโบสถ์ St.Eustorgio ใน Milan, Europe

นาฬิกาน้ำหนักถ่วง อาศัยพลังงาน จากแรงโน้มถ่วงของโลก ในการดึงก้อนน้ำหนัก (Driving Weight) ลง แล้วทำให้กลไกของเกียร์หมุน

หัวใจหลักของตัวกำหนดเวลา คือ การค่อยๆ ขยับของ Escape Wheel ซึ่งเมื่อชุดกลไกหมุน Escape Wheel ก็จะหมุนตาม และผลักให้เขี้ยวล๊อค (Pallet) หมุนชุด Foliot ตามระหว่างที่ชุด Foliot หมุน Pallet ซึ่งมี 2 ตัว จะผลักกันล๊อค Escape Wheel ไว้เป็นช่วงเวลาคงที่ ทำหน้าที่ถ่วงสมดุล ไม่ให้น้ำหนักของก้อนน้ำหนัก หมุนเร็วเกินไป และจากการล๊อคของ Pallet 2 ตัว ทำให้เกิดเป็นเสียง ติ๊ก-ต๊อก (Tick-Tock) ในนาฬิกาขึ้นนั่นเอง

ที่มา : http://203.114.105.84/virtual/Physicals/skywatcher/Weight.htm

นาฬิกาทราย (Sandglass)

นาฬิกาทราย (Sandglass) จากหลักฐานพบว่า มีใช้อย่างแพร่หลาย ในทวีปยุโรป ตั้งแต่ช่วงคริสตศตวรรษที่ 14 เป็นต้นมา

นาฬิกาทรายจะเป็นขวดแก้ว บรรจุทรายละเอียดไว้ ให้ไหลผ่านช่วงแคบ (Orifice) จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ในช่วงแรก นาฬิกาทรายนิยมใช้ เพื่อบอกช่วงเวลา ในการทำอาหาร ในการประชุม ต่อมาได้ใช้งานแพร่หลาย ทั้งในการกำหนดช่วงเวลา ในการสอนหนังสือ เทศน์ หรือแม้กระทั่ง เวลาในการลงโทษนักโทษ

นักเดินเรือ ใช้นาฬิกาทราย ในการบอกความเร็ว ในการเดินเรือ โดยผูกท่อนไม้เป็นปม (Knot) ไว้กับเชือก เป็นระยะๆ เมื่อต้องการที่จะวัดความเร็ว ในการเดินเรือ ลูกเรือก็จะทิ้งท่อนไม้ ที่ผูกเชือกดังกล่าวไว้ และเริ่มปล่อยให้นาฬิกาทรายไหล และเมื่อทรายในนาฬิกาทราย ไหลจนหมด ก็สามารถบอกความเร็ว ของการเดินเรือ ในหน่วยนอต (Khot) ได้ โดยที่ 1 นอต (One Khot) เท่ากับ 1 ไมล์ทะเลต่อชั่วโมง (One nautical mile per hour) คือ ความเร็วที่เดินเรือได้ไกล เท่ากับเชือกยาว 47 1/4 ฟุตใน 1 เที่ยวนาฬิกาทราย (นาฬิกาทรายไหล 1 เที่ยวใช้เวลา 28 วินาที)

ที่มา : http://203.114.105.84/virtual/Physicals/skywatcher/Sandglass.htm

นาฬิกาเทียนไข (Candle Clock)

นาฬิกาเทียนไข (Candle clock) เป็นเครื่องมือบอกเวลา ที่พบว่า มีใช้มาตั้งแต่ประมาณ คริสตศตวรรษที่ 9 หรือนานกว่านั้น โดยที่นาฬิกาเทียนไข สามารถใช้อ้างอิงเวลาได้ ทั้งในที่ร่มหรือกลางคืนได้ แต่นาฬิกาเทียนไข ไม่สามารถระบุเวลา ที่ถูกต้องในแต่ละวันได้ เช่นเดียวกับนาฬิกาน้ำ ทำให้นาฬิกาเทียนไข นิยมใช้ ในการกำหนดช่วงระยะเวลา (Period) มากกว่า

กษัตริย์ Alfred แห่ง The Great England เป็นผู้นำนาฬิกาเทียนไข มาประยุกต์ ในการกำหนดช่วงเวลา สำหรับการศึกษาหาความรู้ สวมมนต์ ออกราชการ และพักผ่อน ในช่วงราชวงศ์ซ้ง (The Sung Dynasty) ของจีน (คศ. 900-1279) มีการนำเอานาฬิกาเทียนไข มาติดด้วยตะปูหนัก แล้วติดเอาไว้เป็นระยะ เพื่อบอกช่วงเวลา เมื่อเทียนไขละลาย ถึงตำแหน่งของตะปูนั้นๆ ตะปูก็จะตกลงมา บนแผ่นรองรับ ทำให้เป็นเสียงบอกเวลา

ที่มา : http://203.114.105.84/virtual/Physicals/skywatcher/Candle.htm



นาฬิกาดาว (Astrolabe)

นาฬิกาดาว (Astrolabe) ออกแบบโดย นักดาราศาสตร์ชาวกรีก ชื่อ Hipparahus ช่วงประมาณ 150 ปีก่อนคริสตศักราช โดยการจดบันทึก ตำแหน่งต่างๆ ของดวงดาวไว้ บนแผ่นโลหะ แล้วทำเป็นแผนที่ฟ้า แบบวงกลม และทำเข็มชี้ตำแหน่ง เพื่อใช้บอกความสัมพันธ์ ระหว่างตำแหน่งของดาวต่างๆ กับเวลา
นาฬิกาดาวดังกล่าว สามารถระบุเวลาได้ค่อนข้างแม่นยำ และแก้ปัญหาข้อจำกัด เรื่องเวลา และสถานที่ที่ใช้งานได้ เป็นอย่างดี แต่กลับไม่เป็นที่นิยมแพร่หลาย เนื่องจากนักบวชชาวคริสต์ เห็นว่านาฬิกาดังกล่าว มีรูปร่างคล้ายกับปีศาจ

ส่วนประกอบนาฬิกาดาว
นาฬิกาดาว ประกอบด้วย วงของ Rete ซึ่งเป็นตำแหน่งของดาวต่างๆ ที่สุกสว่าง รวมถึงดวงอาทิตย์ (คล้ายแผนที่ฟ้าในปัจจุบัน) และแผ่น Tympan ซึ่งเป็นเส้นบอกพิกัดของท้องฟ้า (ซึ่งในปัจจุบัน คือ เส้นแนวขอบฟ้า - Horizon และเส้นเมอร์ริเดียน-Meridian) ไว้สำหรับปรับตำแหน่งของดาว ให้ถูกต้องตามสถานที่ใช้งาน ส่วนเข็ม Alidade เป็นเข็มไว้สำหรับชี้ตำแหน่ง ของดวงดาว เพื่อใช้เทียบบอกเวลานั่นเอง

วิธีการใช้งานนาฬิกาดาว

- นาฬิกาดาวจะถูกยกขึ้นมาเพื่อชี้ตำแหน่งของดาวสุกสว่าง โดยใช้เข็ม Alidade เพื่อบอกตำแหน่งมุมเงยของดาวนั้นๆ
- จากนั้นจะหมุนเข็ม Rete ให้ตรงกับตำแหน่งองศาของดาวบนแผ่น Tympan
- เมื่อชี้ตำแหน่งถูกต้องแล้ว เข็มอีกด้านหนึ่งของ Rete จะเป็นตัวบอกเวลาในขณะนั้นได้
หลักการดังกล่าว ถูกประยุกต์เป็นแผนที่ฟ้าในปัจจุบัน เพียงแต่ปัจจุบันนั้น เราจะทราบเวลาก่อน แล้วใช้แผนที่ฟ้า ก็จะบอกได้ว่า ดวงดาวที่สนใจ อยู่ตำแหน่งใด แต่นาฬิกาดาว จะต้องทราบตำแหน่ง ของดวงดาวก่อน จากนั้น ก็สามารถย้อนกลับมาหาเวลาได้

ที่มา : http://203.114.105.84/virtual/Physicals/skywatcher/Astrolabe.htm

นาฬิกาน้ำ (Clepsydra)

สำเนียง drip-drip ของนาฬิกาน้ำ เป็นเสียงเครื่องบอกเวลา ของชาวอารยธรรมโบราณ ก่อนจะมาเป็นเสียง tick-tock ของนาฬิกาดังเช่นปัจจุบัน

นาฬิกาน้ำ (Clepsydra) อาศัยหลักการของการสะสม ของน้ำในถัง แล้วยกตัวชี้บอกเวลา (Hour pointer) ในการบอกเวลา ซึ่งจะสามารถบอกเวลาได้ ทั้งในเวลากลางวัน และกลางคืน ไม่เหมือนนาฬิกาแดด ที่จะบอกเวลาได้ ก็ต่อเมื่อ มีแสงแดดเท่านั้น โดยที่จากหลักฐานพบว่า นาฬิกาน้ำมีใช้อย่างน้อย 140 ปีก่อนคริสตศักราช

หลักการทำงานของนาฬิกาน้ำ ถังน้ำที่ว่างเปล่า จะถูกเริ่มสะสมน้ำ ในเวลาเที่ยงคืน น้ำที่ไหลอย่างคงที่ เข้ามายังถังสะสม (Float tank) ทำให้เข็มชี้บอกเวลา (Hour pointer) ถูกยกขึ้น เป็นการบอกเวลา และเมื่อน้ำในถังสะสมเต็ม น้ำก็จะถูกระบายทิ้ง ผ่านระบบกาลักน้ำ (Siphon) โดยอัตโนมัติทุกเที่ยงคืน น้ำที่ล้นผ่านกาลักน้ำ จะสะสม และดันให้วงล้อ (Water wheel) หมุนแกนบอกเวลา (Drum dial) เพื่อเปลี่ยนวันที่ ทำให้สามารถบอกได้ว่า ช่วงระยะเวลากลางวัน ของแต่ละฤดูนั้น ยาวนานไม่เท่ากัน โดยที่ช่วงเวลากลางวัน ในฤดูร้อน จะยาวนานกว่า ช่วงเวลากลางวัน ในฤดูหนาว

อย่างไรก็ตาม นาฬิกาน้ำก็ยังไม่สามารถระบุเวลา ที่แม่นยำ ในแต่ละวันได้ แต่อย่างน้อย นาฬิกาน้ำก็สามารถทำหน้าที่ เป็นเครื่องมือบอก หรือกำหนดช่วงเวลา (Period) ได้เป็นอย่างดี

ที่มา : http://203.114.105.84/virtual/Physicals/skywatcher/Clepsydra.htm