Die
physikalische Größe Zeit
Die Zeit ist eine grundlegende Größe für die Beschreibung
von Vorgängen. Sie ist auch eine unentbehrliche Größe für
unser tägliches Leben (Bild 1).
Die Zeit gibt an, wie groß die Dauer
zwischen zwei Ereignissen ist.
Formelzeichen: t
Einheit: eine
Sekunde (1 s)
Vielfache der Einheit eine Sekunde
sind eine Minute (1 min), eine Stunde (1 h), ein Tag
(1 d) und ein Jahr (1 a):
1 min = 60 s
1 h = 60 min = 3 600 s
1 d = 24 h = 1 440 s = 86 400 s
1 a = 365 d oder 366 d (im Schaltjahr)
Beachte: In der Astronomie unterscheidet man zwischen Sterntag und siderischem Tag, zwischen siderischem und synodischem Monat, zwischen tropischem Jahr, siderischem Jahr und Kalenderjahr.
Teile der Einheit eine Sekunde ist
eine Millisekunde ( 1 ms):
1 s = 1 000 ms
1 ms = 0,001 s
Bei Bewegungen kann z. B. die Zeit zwischen dem Beginn und dem Ende der
Bewegung gemessen werden. Beginn und Ende der Bewegung erfolgen jeweils
zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Statt von Zeit spricht man manchmal auch von Zeitdauer
oder von Zeitintervall.
Gemeint ist damit immer die Dauer zwischen zwei Ereignissen, also eine
Zeit.
Davon zu unterscheiden ist der Zeitpunkt,
unter dem ein bestimmter Moment verstanden wird. Umgangssprachlich wird
ein Zeitpunkt auch mit dem Wort Zeit belegt.
Definition der Sekunde
Die Einheit Sekunde ist eine Basiseinheit
des Internationalen Einheitensystems (SI). Bis 1956 war die Sekunde
festgelegt als 86.400ster Teil des mittleren Sonnentages.
Ab 1956 erfolgte die Festlegung, dass die Sekunde der 31.556.925,974.7-te
Teil des tropischen Jahres ist. 1967 wurde schließlich die heute
noch gültige Festlegung getroffen:
Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der
Periodendauer (Schwingungsdauer) der Strahlung, die dem Übergang
zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Atoms
Caesium-133 entspricht.
Die ersten Uhren
Die ältesten bekannten Uhren zur Zeitmessung sind Sonnenuhren
(Bild 2). Man findet sie heute in den verschiedensten Varianten an Gebäuden
oder in Parks.
Viele Jahrhunderte hindurch wurden auch Wasseruhren
oder Sanduhren genutzt, bei
denen man eine fließende Wasser- und Sandmenge für die Zeitmessung
verwendet. Solche Uhren wurden ständig verbessert mit dem Ziel, die
Genauigkeit der Zeitmessungen zu erhöhen. Dabei nutzte man auch schon
Räderwerke.
Erste mechanische Uhren
Die ersten bekannten mechanischen Uhren aus dem 14. Jahrhundert besaßen
ebenfalls Räderwerke, die durch große Gewichte angetrieben
wurden. Solche Uhren hatten mitunter auch eine Steuereinrichtung, die
"Hemmung", die den Gang der Uhr steuerte.
Im 16. Jahrhundert wurden die ersten tragbaren Taschenuhren entwickelt.
So baute um 1512 der Nürnberger Schlosser PETER
HENLEIN (1479-1542) Taschenuhren, die wegen ihrer Form als "Nürnberger
Eier" bezeichnet wurden. Als Antrieb für diese Taschenuhren
wurden kleine Spiralfedern genutzt (Bild 3).
Pendeluhren
Einer, der wesentlich zur Verbesserung der Uhren beigetragen hat, war
der Holländer CHRISTIAAN
HUYGENS (1629-1695). Aus eigenen astronomischen Untersuchungen wusste
er um die Notwendigkeit genauerer Uhren. Mithilfe der mechanischen
Schwingungen eines Pendels entwickelte Huygens die Genauigkeit von
Uhren weiter. Dabei konnte er sich auf physikalische Arbeiten von GALILEO
GALILEI (1564-1642) stützen. GALILEI hatte erkannt, dass die
Periodendauer (Schwingungsdauer) eines Pendels unabhängig von der
Masse des Pendelkörpers ist. Er nahm auch an, dass die Periodendauer
unabhängig von der Amplitude der Schwingung ist. Dies gilt jedoch
nur für kleine Auslenkungen, also für kleine Amplituden. HUYGENS
erkannte diesen Irrtum GALILEIs und entwickelte eine Formel für die
Periodendauer von verschiedenen Pendeln mit beliebigen Amplituden. Auf
der Grundlage dieser Erkenntnisse konstruierte HUYGENS 1656 eine Pendeluhr,
in der er das bekannte Räderuhrwerk mit einem Pendel koppelte (Bild
4). 1657 erhielt er für diese geniale Idee ein Patent. Die von ihm
gebaute Schiffspendeluhr (Chronometer) setzte sich aber nicht durch.
1674 konstruierte HUYGENS unabhängig von dem Engländer ROBERT
HOOKE (1635-1703) eine Taschenuhr mit einer Spiralfeder als Unruh,
die ebenfalls mechanische Schwingungen ausführte (Bild 5). Die Genauigkeit
der mechanischen Uhren wurde in den nächsten Jahrzehnten immer weiter
verbessert. Die physikalischen Prinzipien, auf denen sie beruhten, die
mechanischen Schwingungen, blieben die gleichen.
Quarzuhren und Atomuhren
Erst im 20. Jahrhundert wurden elektrische Uhren entwickelt, die elektromagnetische
Schwingungen nutzen. 1929 wurde in den USA die erste Quarzuhr,
in der ein Quarzkristall schwingt, gebaut. Quarzuhren hoher Genauigkeit
wurden 1932 auch von den deutschen Physikern SCHEIBE und ADELSBERGER in
der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin entwickelt.
Eine noch größere Genauigkeit als Quarzuhren weisen Atomuhren
(Bild 5) auf, bei denen der Gang von Schwingungen in Atomen gesteuert
wird. Die erste Atomuhr wurde 1948 für das National Bureau of Standards,
das nationale amerikanische Normungsinstitut, gebaut.
Die neuesten Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt vom
Typ CSF-1 weisen eine Gangunsicherheit von einer Sekunde in dreißig
Millionen Jahren auf. Damit diese Zeit nicht mehr als 0,75 s von der Zeit
in Greenwich (UT) abweicht, die aus astronomischen Messungen der Erdrotation
abgeleitet wird, werden hin und wieder Schaltsekunden
eingefügt. Diese Korrekturen werden am 30. Juni und am 31. Dezember
durchgeführt.
Durch Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt werden über
einen Sender in Mainflingen bei Frankfurt (Main) auch die Funkuhren
gesteuert, die man als Wecker, Armbanduhren oder Wanduhren kaufen kann.
Dieser Sender hat eine Leistung von etwa 30 kW. Das Signal wird im Langwellenbereich
mit einer Frequenz von 77,5 kHz abgestrahlt und ist in einem Umkreis von
etwa 2.000 km zu empfangen.