Thiết bị đo thời gian

Đồng hồ là công cụ được sử dụng phổ biến để đo thời gian trong ngày, khác với lịch chỉ dùng để đo thời gian dài hơn một ngày. Hiện nay có những đồng hồ tiên tiến và phức tạp có khả năng đo thời gian rất chính xác. Bên cạnh những đồng hồ lớn cố định, còn có đồng hồ nhỏ gọn dễ mang theo (đồng hồ đeo tay), không chỉ cho biết giờ mà còn là phụ kiện thời trang.

Từ thế kỷ 14, đồng hồ thường hiển thị ba đơn vị thời gian cơ bản: giờ, phút và giây.

Nguyên gốc và lịch sử

Con người đã phân chia thời gian thành các đơn vị như buổi, ngày, tháng, năm... Tuy nhiên, trước khi đồng hồ ra đời, việc đo thời gian ngắn hơn một ngày không chính xác. Người ta thường ước lượng thời gian qua vị trí mặt trời trên bầu trời như sáng, trưa, chiều, tối. Để đo thời gian ngắn hơn, người ta dùng nhang hoặc nến và đo lượng thời gian trôi qua. Cũng có những bình chứa cát hoặc nước dùng để đo thời gian, phương pháp này đã được sử dụng từ thời cổ đại ở Ai Cập và Trung Hoa.

Đồng hồ như chúng ta biết ngày nay bắt đầu xuất hiện vào thế kỷ 17 tại châu Âu. Đến thế kỷ 18, đồng hồ treo tường đã trở thành đồ gia dụng phổ biến ở Âu châu. Tiếp theo là đồng hồ đeo tay, trở thành một món phụ kiện cá nhân được nhiều người ưa chuộng.

Đồng hồ mặt trời, đồng hồ cát, nhang và nến

Đồng hồ là một trong những phát minh cổ xưa của nhân loại, ra đời để đáp ứng nhu cầu đo lường thời gian nhanh chóng hoặc chậm chạp. Trong khi Mặt Trăng và các ngôi sao có thể được dùng để đo các khoảng thời gian dài, việc đo thời gian ngắn hơn lại là một thách thức khác. Đồng hồ mặt trời là một trong những giải pháp sớm nhất, tuy nhiên, nó chỉ có thể đo thời gian vào ban ngày thông qua việc quan sát bóng của Mặt Trời trên các cột mốc.

Sau này, người ta bắt đầu sử dụng nến và nhang để đo thời gian. Khoảng thời gian cháy của chúng thường tương đối ổn định và được dùng để ước lượng thời gian trôi qua.

Bên cạnh đó, đồng hồ cát cũng là một phương pháp đo thời gian. Cát mịn sẽ chảy qua một lỗ nhỏ với tốc độ đều đặn, giúp xác định khoảng thời gian đã trôi qua.

Đồng hồ nước

Sử gia Vitruvius đã ghi chép về việc sử dụng đồng hồ nước ở Ai Cập cổ đại, được gọi là clepsydra. Herodotus cũng đã nhắc đến một loại dụng cụ đo thời gian khác của người Ai Cập hoạt động bằng thủy ngân. Các tài liệu về đồng hồ nước cũng đã được phát hiện ở nhiều nơi như bán đảo Ả Rập, Trung Quốc và Hàn Quốc.

Từ 'đồng hồ' trong tiếng Việt có nguồn gốc từ cách sử dụng bình nước chảy, gọi là lậu hồ (漏壺) hoặc khắc lậu hồ (刻漏壺), xuất hiện ở Việt Nam từ thời Đường. Bình nước này có một lỗ nhỏ để nước rỉ ra, với nhiều bình xếp chồng lên nhau. Nước từ bình trên cùng chảy xuống bình giữa và sau đó xuống bình dưới. Một cái thẻ khắc nấc được đặt ở bình cuối cùng, để xác định thời gian dựa trên mức nước. Do bình làm bằng đồng, tên gọi lậu hồ dần được chuyển thành đồng hồ, tức là bình đồng.

Những đồng hồ cơ học cổ xưa

Mặc dù không còn đồng hồ nào tồn tại từ thời Trung cổ, nhưng các tài liệu của nhà thờ cung cấp một phần thông tin về lịch sử của đồng hồ.

Vào thời Trung cổ, việc đo thời gian là bắt buộc do sự quy định nghiêm ngặt cho các buổi cầu nguyện và công việc. Do đó, người ta có thể đã sử dụng đồng hồ nước, đồng hồ mặt trời và nến kết hợp với các công cụ khác như chuông, với cơ cấu cơ học đơn giản sử dụng quả nặng. Vì vậy, những đồng hồ đầu tiên không có kim mà sử dụng âm thanh để báo hiệu.

Vì lý do đó, trong nhiều ngôn ngữ hiện đại, từ 'đồng hồ' bắt nguồn từ tiếng Latin cloca, có nghĩa là 'chuông'.

Cấu tạo cơ học mới cho đồng hồ

Trong khoảng thời gian từ 1280 đến 1320, các tài liệu của nhà thờ về các thiết bị đo thời gian ngày càng phong phú. Điều này có thể phản ánh sự ra đời của một thiết kế đồng hồ mới với hệ thống quả nặng kết hợp với con quay, và năng lượng của đồng hồ được điều khiển bởi các cơ cấu gọi là 'hồi'.

Các thiết bị cơ khí được áp dụng vào đồng hồ chủ yếu vì hai lý do: để báo hiệu thời gian và sau này là theo dõi chuyển động của các thiên thể. Nhu cầu đầu tiên là để thuận tiện trong quản lý thời gian, còn nhu cầu thứ hai phục vụ cho các môn khoa học, thiên văn học và mối liên hệ của chúng với tôn giáo. Những đồng hồ đầu tiên thường được đặt ở các tháp chính và không cần kim nhưng vẫn có khả năng báo giờ. Các đồng hồ phức tạp hơn cũng xuất hiện với kim chỉ giờ và cơ cấu tự động.

Vào năm 1283, một đồng hồ được lắp đặt tại Dunstable Priory, đáng chú ý là chiếc đồng hồ này được cho là đồng hồ cơ khí đầu tiên không sử dụng sức nước. Đến năm 1292, một đồng hồ tương tự được cho là đã được lắp đặt tại nhà thờ Canterbury. Vào năm 1322, một chiếc đồng hồ khác được lắp đặt ở Norwich. Những công trình này yêu cầu sự cống hiến của hai thợ lành nghề trong khoảng thời gian hai năm.

Các thành phần của đồng hồ cơ học

Hầu hết các đồng hồ từ thế kỷ 14 đến nay đều bao gồm các bộ phận chính sau đây:

• Nguồn năng lượng, trước đây là con lắc (con lắc cung cấp năng lượng liên tục nhưng rất nhỏ), hiện tại là dây cót và ngày nay là pin.
• Hồi, một cơ cấu được thiết kế để giải phóng năng lượng từ từ thay vì tất cả cùng một lúc. Ban đầu là con lắc đơn (trong đồng hồ quả lắc), sau đó là con lắc xoay gắn với lò xo mảnh và nhẹ (trong đồng hồ quả quýt và đồng hồ đeo tay), tiếp theo là tinh thể thạch anh và các cơ cấu tinh vi hơn...
• Hệ thống bánh răng, có nhiệm vụ điều khiển và truyền chuyển động từ nguồn năng lượng đến bộ phận hiển thị.
• Hệ thống hiển thị, bao gồm kim, chuông,...

Các bước cải tiến

Các thợ đồng hồ đã liên tục cải tiến phát minh của mình theo nhiều cách khác nhau. Việc thiết kế đồng hồ ngày càng nhỏ hơn trở thành một thách thức lớn, vì họ phải đảm bảo đồng hồ vừa chính xác vừa bền bỉ. Đồng hồ có thể là tác phẩm nghệ thuật của các nghệ sĩ tài ba hoặc cũng có thể được sản xuất hàng loạt để sử dụng trong gia đình.

Hệ thống dây cót lần đầu tiên được phát triển vào thế kỷ 15, tạo ra một thách thức mới cho các thợ đồng hồ thời bấy giờ.

Kim phút được giới thiệu lần đầu tiên trên đồng hồ vào năm 1475, được đề cập trong Almanus Manuscript của nhà tu Paul.

Trong thế kỷ 15 và 16, nghệ thuật chế tạo đồng hồ phát triển mạnh mẽ tại các thành phố như Nürnberg, Augsburg và Blois. Một số đồng hồ chỉ có một kim và mặt đồng hồ được chia thành bốn phần để dễ đọc. Hệ thống hồi hoàn chỉnh được thiết kế bởi Jobst Burgi vào năm 1585, các đồng hồ chính xác của ông đã hỗ trợ Johannes Kepler và Tycho Brahe quan sát thiên văn với độ chính xác cao hơn.

Kim giây lần đầu xuất hiện khoảng năm 1560 trong bộ sưu tập của Fremersdorf. Dù không hoạt động chính xác hoàn toàn, nó vẫn cho thấy rằng đồng hồ vẫn đang hoạt động.

Năm 1653, Galileo Galilei phát minh ra con lắc, dẫn đến việc Christiaan Huygens chế tạo đồng hồ quả lắc. Huygens xác định rằng một con lắc dài 99,38 cm sẽ có chu kỳ chính xác 1 giây. Đến năm 1670, William Clement phát minh hệ thống hồi dạng mỏ neo, nâng cao độ chính xác của đồng hồ. Kể từ đó, kim phút và kim giây trở thành tiêu chuẩn trong hầu hết các đồng hồ.

Vào năm 1761, thợ đồng hồ John Harrison đã giành được giải thưởng lớn nhờ chế tạo một đồng hồ chỉ sai lệch 5 giây sau 10 ngày hoạt động.

Năm 1670, William Clement thiết kế đồng hồ quả lắc để đặt trong một hộp dài, làm cho nó trở thành một món đồ trang trí phổ biến trong nhiều gia đình thời đó.

Ngày 17 tháng 11 năm 1797, Eli Terry được cấp bản quyền cho đồng hồ đầu tiên, đánh dấu sự khởi đầu của ngành công nghiệp đồng hồ tại Hoa Kỳ.

Alexander Bain, thợ đồng hồ người Scotland, phát minh ra đồng hồ điện vào năm 1840, sử dụng mô-tơ điện và hệ thống nam châm điện. Năm 1841, ông nhận bằng sáng chế cho con lắc điện từ.

Ngày nay, thời gian trên đồng hồ được đo bằng nhiều phương pháp khác nhau, từ tinh thể thạch anh đến chu kỳ bán rã của chất phóng xạ. Ngay cả các đồng hồ cơ học cũ giờ đây chỉ cần pin thay vì phải lên dây cót như trước.

Đồng hồ Âu châu và sự du nhập vào Việt Nam

Người Việt bắt đầu biết đến đồng hồ Âu châu vào đầu thế kỷ 17. Vào ngày 2 tháng 7 năm 1627, giáo sĩ Đắc Lộ cùng với giáo sĩ Pero Marquez đã dâng tặng chúa Thanh Đô Vương Trịnh Tráng một chiếc đồng hồ Âu châu có chuông. Chúa Trịnh ngạc nhiên và đã cho phép hai giáo sĩ ở lại truyền giáo ở Đàng Ngoài. Dù đây là thời điểm ghi nhận chính xác, đồng hồ Âu châu có thể đã xuất hiện ở Đàng Trong từ trước đó, vì Dòng Tên đã mở cơ sở ở Quảng Nam từ năm 1615. Các thương nhân và giáo sĩ Tây phương thường tặng các vật phẩm lạ mắt cho các vua chúa Viễn Đông để tạo thiện cảm.

Phân loại đồng hồ

Đồng hồ có thể được phân loại dựa trên cách chúng hiển thị thời gian và phương pháp chúng sử dụng để đo thời gian.

Các phương pháp hiển thị thời gian

Đồng hồ cơ học

Đồng hồ cơ học sử dụng các kim và mặt số để hiển thị thời gian. Mặt đồng hồ có các số từ 1 đến 12, với kim giờ, kim phút và kim giây để chỉ thời gian. Khoảng cách giữa các số biểu thị 5 phút cho kim phút, 1 giờ cho kim giờ và 5 giây cho kim giây.

Một dạng khác của đồng hồ cơ là đồng hồ mặt trời, hoạt động dựa trên ánh sáng mặt trời. Thời gian được đo bằng cách quan sát bóng của các vật gắn trên đồng hồ.

Đồng hồ điện tử

Đồng hồ điện tử sử dụng hệ thống số để hiển thị thời gian. Thông thường, có hai cách thể hiện:

• 24 giờ để đếm từ 00 đến 23 giờ
• 12 giờ với ký hiệu AM / PM (chủ yếu tại Mỹ)

Đồng hồ báo âm thanh

Để tạo sự tiện lợi, một số đồng hồ sử dụng âm thanh để thông báo giờ. Âm thanh có thể là ngôn ngữ tự nhiên ('Bây giờ là mười sáu giờ ba mươi phút') hoặc một mã (số tiếng chuông để báo số giờ).

Đồng hồ chữ

Loại đồng hồ này hiển thị thời gian dưới dạng chữ viết. Trong khi đồng hồ điện tử cho chúng ta đọc giờ như 12:35, thì đồng hồ chữ sẽ diễn tả là 'Mười hai giờ ba mươi lăm phút'. Một số đồng hồ khác còn sử dụng cách diễn đạt gần đúng để người dùng cảm thấy dễ chịu hơn (ví dụ: 'Khoảng mười hai giờ rưỡi').

Cách đo thời gian

Hầu hết đồng hồ đều có cơ chế dao động ổn định bên trong, tạo ra một tần số đều đặn. Số lần dao động này được đo và hiển thị trên mặt đồng hồ.

• Đồng hồ cơ học sử dụng con lắc làm cơ chế dao động ổn định và bánh răng để điều chỉnh thời gian
• Đồng hồ điện hoạt động bằng cách sử dụng điện
• Đồng hồ tinh thể sử dụng tinh thể thạch anh và hệ thống chia tần số để đo thời gian. Với đồng hồ hiện đại, tần số này là 2 Hz = 32.768 kHz
• Đồng hồ phân tử là loại đồng hồ chính xác nhất, sử dụng sóng siêu âm để kích thích các phân tử như caesi, rubidium, hydrogen. Đồng hồ phân tử sử dụng caesium hiện đang được dùng để định nghĩa thời gian
• Đồng hồ xung đo tần số của dòng điện (50 Hz hoặc 60 Hz)
• Đồng hồ radio nhận tín hiệu từ một trạm phát sóng gần đó và điều chỉnh thời gian theo tín hiệu đó. Những đồng hồ này thường được sử dụng bởi thợ lặn
• Đồng hồ mặt trời theo dõi vị trí của mặt trời so với Trái Đất

Vị trí đặt đồng hồ

Đồng hồ có thể được phân loại thành đồng hồ treo tường, đồng hồ đeo tay, đồng hồ bỏ túi (còn gọi là đồng hồ quả quýt). Ngoài ra, đồng hồ còn có thể tích hợp vào các thiết bị khác như máy tính, điện thoại cố định và di động...

Chức năng của đồng hồ

Đồng hồ bấm giờ

Chronograph có thể không được sử dụng nhiều như chức năng hiển thị lịch, nhưng đồng hồ này mang một vẻ đẹp mạnh mẽ và quyến rũ. Nói đơn giản, Chronograph là đồng hồ có chức năng bấm giờ, cho phép đo chính xác khoảng thời gian ngắn.

Hiển thị hai múi giờ

Tính năng này dành cho những người thường xuyên di chuyển giữa các quốc gia hoặc có người thân sống ở các múi giờ khác. Nó có thể được phân loại như sau:

• Hai bộ máy (dual-movement): Đây không phải là một tính năng thông thường của đồng hồ. Chiếc đồng hồ này có hai bộ máy hoạt động độc lập, mỗi bộ máy hiển thị thời gian riêng biệt.
• Một bộ máy với hai múi giờ: Tính năng này có thể được thể hiện trên mặt số phụ hoặc kim trung tâm kết hợp với vành bezel 24 giờ.
• Giờ thế giới (World Time): Đồng hồ với tính năng giờ thế giới có vành bezel xoay, trên đó có tên nhiều thành phố và các múi giờ tương ứng. Người dùng có thể xoay vành bezel để xem thời gian ở các múi giờ khác.

Lịch tuần trăng (Moonphase)

Lịch tuần trăng là tính năng cổ điển với vẻ đẹp quyến rũ. Nó hiển thị các giai đoạn của mặt trăng (khuyết hay tròn) trên bầu trời, thường được sử dụng bởi các thủy thủ để đo lường độ cao của thủy triều.

Điểm chuông

Ngoài việc hiển thị thời gian, một số đồng hồ đặc biệt còn có khả năng báo giờ bằng âm thanh chuông. Một số đồng hồ cơ học cũng có chức năng hẹn giờ.

Chỉ báo mức năng lượng (Power reserve indicator)

Tính năng này còn được gọi là chỉ báo thời gian cót hoặc kim xăng. Đây là một tính năng hữu ích trên đồng hồ cơ, cho phép bạn theo dõi mức căng của dây cót và biết được thời gian còn lại trước khi đồng hồ ngừng hoạt động.

Mục đích sử dụng

Đồng hồ treo tường thường được sử dụng trong nhà hoặc văn phòng, đồng hồ đeo tay được đeo trên cổ tay, trong khi những chiếc đồng hồ lớn hơn thường được đặt ở các địa điểm công cộng như nhà thờ hoặc bến xe. Hầu hết các máy tính và điện thoại di động đều có đồng hồ hiển thị ở góc dưới màn hình.

Tuy nhiên, đồng hồ không chỉ để xem giờ. Chúng còn có thể điều khiển các thiết bị theo thời gian. Ví dụ, đồng hồ chuông có thể được dùng làm bom hẹn giờ, hoặc chính xác hơn là một hệ thống đếm giờ.

Máy tính sử dụng tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa các quá trình xử lý, mặc dù có nghiên cứu về bộ xử lý không đồng bộ. Máy tính cũng lưu trữ thời gian để thông báo hoặc chỉ để hiển thị giờ. Bên trong máy tính có một đồng hồ hoạt động bằng pin, và mặc dù máy tính có thể hoạt động khi đồng hồ bị hỏng, đồng hồ sẽ được khởi động lại khi máy tính được khởi động lại.

Thời gian là một khái niệm cơ bản trong vật lý. Do đó, việc chế tạo các thiết bị đo thời gian chính xác rất quan trọng trong các thí nghiệm khoa học.

Trong ngành thám hiểm

Trong ngành thám hiểm, đặc biệt là khi di chuyển bằng thuyền, việc đo đạc chính xác kinh độ và vĩ độ là rất quan trọng. Vĩ độ có thể đo bằng phương pháp thiên văn, nhưng để đo kinh độ, cần một đồng hồ cực kỳ chính xác. John Harrison là người đầu tiên chế tạo đồng hồ với độ chính xác cao vào giữa thế kỉ 18. Ở Cape Town, người ta vẫn sử dụng súng hiệu để giúp các tàu điều chỉnh thời gian đồng hồ một cách chính xác.

Đồng hồ hiện đại

Lõi thạch anh của đồng hồ được phát minh vào thập niên 1920, đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ đồng hồ. Phát minh này không chỉ làm giảm giá thành sản xuất đồng hồ mà còn nâng cao độ chính xác của chúng.

Đồng hồ điện tử được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1956.

Các loại đồng hồ

• Đồng hồ báo thức
• Đồng hồ cơ với màn hình điện tử
• Đồng hồ điện tử
• Đồng hồ thiên văn
• Đồng hồ nhị phân
• Đồng hồ điện
• Đồng hồ cát
• Đồng hồ con lắc
• Đồng hồ thạch anh
• Đồng hồ nguyên tử
• Đồng hồ thông minh