LỊCH SỬ CHẾ TÁC ĐỒNG HỒ THẾ GIỚI & CHUẨN "CHRONOMETER"

3500 TCN

Đồng hồ mặt trời đầu tiên được xây dựng ở Ai Cập cổ đại, do mặt trời là vị thần chính của họ, họ tạo ra những đài bằng đá và đo bóng chiếu xuống của mặt trời để đọc thời gian. Với sức mạnh như vậy, người Ai Cập đã phát hiện ra ngày dài nhất và ngày ngắn nhất (ngày hạ chí và ngày đông), họ tìm ra thời điểm chính xác của “giữa trưa”, giới thiệu hệ thống ánh sáng ban ngày 10 giờ và nhiều hơn nữa.

Để đo thời gian dễ dàng, người Ai Cập chia ngày thành 10 phần bằng nhau, với 4 phần bổ sung dành riêng cho giờ chạng vạng lúc bình minh và hoàng hôn. Hàng loạt điểm đánh dấu trên mặt đất giúp người Ai Cập dễ dàng theo dõi thời gian và thậm chí biết họ đang ở mùa nào trong năm.

Đồng hồ mặt trời cuối cùng đã du nhập đến các đế quốc Hy Lạp và La Mã, nơi chúng được chào đón và cải tiến đáng kể, cho phép tạo ra nhiều đồng hồ mặt trời nhỏ hơn và di động hơn.

2000 TCN

Sáng tạo Stonehenge. Stonehenge là một công trình đá sa thạch thời kỳ đồ đá mới và thời kỳ đồ đồng gần Amesbury ở Anh. Mỗi khối đá đứng cao khoảng 4,1m; rộng 2,1m và nặng khoảng 25 tấn, được sắp xếp có tính toán với tổng đường kính rộng 33m.

​

Do độ chính xác và độ tin cậy trong thời tiết nắng, đồng hồ mặt trời vẫn được sử dụng ngay cả khi Châu Âu đang trải qua thời kỳ khó khăn. 

Tất nhiên, đồng hồ mặt trời hoàn toàn không có tác dụng trong thời tiết nhiều mây hoặc vào ban đêm. Với các yếu điểm đó, những đòi hỏi cải tiến hơn để đo thời gian đã được phát minh.

1400 TCN

Một số nền văn hóa đánh dấu thời gian trôi qua bằng cách đo thời gian đốt dầu. Đồng hồ được thiết kế với một bầu chứa dầu, thường là dầu cá voi dùng để đốt đèn. Trên bầu chứa có ghi những con số cho biết khoảng thời gian qua đi.

​

250 TCN

Bánh răng truyền động đơn giản đầu tiên được tạo ra bởi Archimedes (287-212 TCN).

​

​Cơ chế bánh răng này được đưa vào cỗ máy Antikythera - có niên đại khoảng từ 205 đến 105 TCN, bánh răng lớn nhất có đường kính khoảng 140 milimét (5,5 in) và ban đầu có 223 răng. Nó là một cơ chế phức tạp bao gồm ít nhất 30 bánh răng.

​

 Đây là mẫu phục dựng theo mô hình cũ có 37 bánh răng, bằng đồng, cho phép nó đo theo dõi chuyển động của Mặt Trăng và Mặt Trời thông qua hoàng đạo, để dự đoán nhật thực và thậm chí mô hình quỹ đạo không đều của mặt trăng.

Năm 300

Theo Tạp chí Hiệp hội Khảo cổ học Anh Quốc, đồng hồ cát được sử dụng trước thời thánh Jerome (335 SCN), và sự diễn tả về đồng hồ cát lần đầu tiên là trên một cái quách có niên đại từ năm 350.

​ 

Năm 467

Ở Phương Tây, xã hội chiếm nô bắt đầu khoảng gần 1000 năm TCN và chấm dứt vào năm 467, cũng kết thúc thời cổ đại.

Năm 885

Đồng hồ nến có đánh dấu thời gian được du nhập vào Châu Âu thời trung cổ.

​

Năm 1288

Tháp đồng hồ sớm nhất khoảng năm 50 TCN, được biết đến là tháp gió ở Athens bằng đá cẩm thạch có hình bát giác. Cấu tạo bên trong của nó, cũng có một chiếc đồng hồ nước.

​

​Những chiếc đồng hồ tháp đầu tiên không có mặt, chúng chỉ có tiếng chuông để kêu gọi cộng đồng xung quanh làm việc hoặc cầu nguyện. Do đó, chúng được đặt trong các tòa tháp để tiếng chuông có thể nghe được trong một khoảng cách dài.

Tháp đồng hồ được đặt gần trung tâm thị trấn và thường là những cấu trúc cao nhất ở đó. Khi các tháp đồng hồ trở nên phổ biến hơn, các nhà thiết kế nhận ra rằng một mặt số đồng hồ ở bên ngoài tòa tháp sẽ cho phép người dân trong thị trấn xem thời gian bất cứ khi nào họ muốn.

Năm 1092

Đồng hồ nước cơ học đầu tiên được tạo ra bởi nhà phát minh người Trung Quốc Su Sung (Tô Tụng 1020-1101) vào thời nhà Tống (960-1279). 

Công việc bắt đầu khi ông đi sứ ra nước ngoài, đến nơi thì ông mới biết là đến sớm một ngày, ông cho rằng lịch ở nơi này chính xác hơn. Sau khi về tâu lại vua, hoàng đế yêu cầu ông đảm nhiệm một công việc quan trọng, nghiên cứu một đồng hồ thiên văn chính xác hơn với nhiệm vụ chỉ “giờ” (thực chất cái chính cái Thiên Tử cần ở cái đồng hồ này không hẳn là giờ, mà là sao trời, thiên thời và vô số thứ khác cần để xem tương lai) cho Thiên tử.

Bằng quan sát của mình, Tô Tụng ngoài làm ra chiếc đồng hồ vĩ đại của mình còn quan sát và vẽ nên một số mô hình các chòm sao trên thiên cầu, ông vẽ bản đồ sao gồm năm bản đồ nhỏ hơn. Mỗi bản đồ vẽ bốn đường tròn đồng tâm giữa Nhị thập bát tú, hình thành nên các kinh tuyến thiên văn. Những bản đồ sao của Tô Tụng là những bản đồ sao cổ xưa nhất dưới dạng in.

​​

Chiếc đồng hồ khổng lồ này cao 40 feet (12.19m) và được kéo bởi một bánh xe nước đặc biệt. Những chiếc xô trên vành của nó được đổ đầy từng chiếc một bởi dòng nước đều đặn, đã tạo ra một lực đủ lớn để xoay đều. Chiếc đồng hồ tuyệt vời của Su-Sung, với chuyển động tích tắc, khá chính xác. Nó trông hơi giống chiếc đồng hồ cơ được phát minh sau 200 năm nữa ở Châu Âu.

Năm 1368

Những nhà sản xuất đồng hồ cơ "thu nhỏ" lần lượt xuất hiện ở Anh. 

Ở châu Âu, giữa năm 1280 và 1320 người ta tìm thấy rất nhiều nguồn tài liệu dẫn chứng về chế tác đồng hồ, nhưng phần lớn cũng chỉ là các bản phát triển của đồng hồ nước: Đơn gản hơn, nhỏ hơn, nhiều chức năng hơn, chính xác hơn, thời gian hoạt động dài hơn.

Năm 1485

Leonardo da Vinci phác họa một cơ cấu cải tiến việc cấp lực kéo các bánh răng thay vì dùng nước.

​ 

Năm 1490

Thợ khóa Peter Helein đã phát minh ra dây cót đầu tiên ở Nurnburg, Đức.

​Dây cót được làm bằng chất liệu chì, quấn trên một ròng rọc hình nón có rãnh, được bọc bởi vỏ chứa. Với sự sắp xếp này, dây cót khi được bung ra sẽ làm quay cái vỏ chứa nó. Với sự cân đối chính xác của bán kính dây cót và vỏ chứa, mô-men xoắn gần như không đổi được duy trì khi dây cót được bung ra.

Ông lắp nó vào chiếc đồng hồ quả táo, tên là “trứng Nuremberg”.​

​

Cho đến khoảng năm 1580, cơ chế hoạt động của đồng hồ Đức hầu như được nâng cấp vật liệu làm hoàn toàn bằng sắt; và vào khoảng thời gian này, đồng thau đã được giới thiệu.

Tuy nhiên cơ chế kiểm giờ (banlace) còn thiếu, nguyên liệu mềm dễ bị mài mòn, và chế tác bằng thủ công ... nên độ chính xác đồng hồ chưa cao.

Chiếc đồng hồ quả táo của Peter Henlein, 1505

Một cuốn sách cổ có niên đại từ năm 1512 ghi lại một đoạn văn về Petrus Hele: ​​

“Với một ít sắt, cụ thể là, ông ấy đã tạo ra những chiếc đồng hồ có nhiều bánh răng, mà dù người ta cầm chúng như thế nào, nó vẫn quay và hiển thị đánh dấu thời gian, ngay cả khi người ta đeo chúng trên ngực hoặc trong túi.” 

​

Chiếc đồng hồ quả táo của Peter Henlein, 1505

Đây là điểm khởi đầu quan trọng cho các nhà phát minh khác, những người đã nhanh chóng tập trung tâm trí vào việc giải quyết vấn để tạo ra những chiếc đồng hồ size nhỏ, chắc chắn, dễ sử dụng, và nó chỉ mang tính thời trang hơn là độ chính xác.

1492

Từ cuối tk 15 - người châu Âu đã tiến hành thuộc địa hóa châu Mỹ, bắt đầu từ chuyến hành trình của Christopher Columbus (1451-1506) từ năm 1492, việc Vasco da Gama (1469-1524) đi vòng qua Mũi Hảo Vọng vào năm 1497-99, và chuyến đi vòng quanh địa cầu đầu tiên do đoàn thám hiểm của Ferdinand Magellan (1480-1521) dẫn đầu vào năm 1519-1522.

Vasco da Gama (1469-1524)

Trong khoảng vài thập kỷ, các đại dương, các châu lục, thực ra là cả thế giới, đã được phát hiện và trở nên rộng lớn hơn rất nhiều và các hoa tiêu...  chưa bao giờ hết cần biết vị trí chính xác của họ. 

Những người đi biển thời xưa phụ thuộc vào cách ước đoán vị trí. Nên rất nhiều rủi ro.

Khi không có định vị GPS, ở thời điểm này, để xác định một vị trí chính xác trên bề mặt Trái đất cần phải biết được vĩ độ, kinh độ. Việc điều hướng chính xác trên biển (khi vượt ra ngoài tầm nhìn từ đất liền) là một vấn đề lớn chưa được giải quyết do khó khăn trong việc tính toán vị trí của tàu.

1. Ước lượng vị trí theo Hướng đi & vận tốc:

Hướng đi: Từ thời nhà Tống (960–1279), người Trung Quốc đã biết dùng la bàn (gọi là Kim chỉ nam). Nhưng khi chưa có la bàn, các hoa tiêu đi biển dựa vào mặt trời và các ngôi sao. Khi trời có mây, các thủy thủ định hướng bằng các cơn sóng lừng đều đều do gió tạo nên. Họ quan sát hướng những cơn sóng này so với vị trí lặn mọc của mặt trời và các ngôi sao.

Vận tốc: thả qua mạn tàu một miếng gỗ buộc với cuộn dây có thắt nút đều đặn theo khoảng cách ấn định. Khi con tàu chạy, miếng gỗ nổi kéo sợi dây ra khỏi cuộn. Sau một thời gian ấn định, người ta kéo sợi dây lên và đếm nút, họ sẽ biết vận tốc của tàu. Khi biết vận tốc, hoa tiêu có thể tính được quảng đường mà con tàu đi được trong một ngày. Họ sẽ vẽ một đường trên hải đồ để biết con tàu đã đi tới đâu so với tuyến đường đã định.

Tuy nhiên dòng hải lưu và gió thổi ngang có thể đẩy con tàu đi chệch hướng. Do đó, theo định kỳ, hoa tiêu phải tính toán và ghi lại những điều chỉnh cần thiết để giữ con tàu đi đúng hướng.

2. Ước lượng vị trí theo vĩ độ bằng sao bắc cực:

Khi lênh đênh trên các vùng biển ở Bắc Bán Cầu, người ta có thể nhìn sao Bắc Đẩu để ước lượng đang ở Vĩ độ (Bắc) nào. Họ lấy điểm thiên đỉnh và đường chân trời tạo thành hai cạnh của góc vuông, điểm giao nhau chính là bạn. Đường chân trời là 0.

Cho dù không có “kính lục phân”, vẫn có thể dùng phương pháp trên để ước lượng khoảng cách khá chính xác bằng cách tính sự chênh lệch của sao Bắc Đẩu sau mỗi đoạn đường di chuyển.

Tuy nhiên, cứ mỗi độ chênh lệch thì tương đương với 60 dặm (miles) hay 90 km trên mặt biển (hay mặt đất).

Điều này không chỉ khiến một phần lớn đội tàu bị chệch hướng mà thời tiết xấu trong suốt chuyến đi còn khiến việc điều hướng qua các điểm mốc không thể thực hiện được.

3. Ước lượng vị trí kinh độ theo sự kiện thiên văn: 

với kinh độ thì không có những cách thức hiển nhiên như thế, quá nhiều khó khăn trong việc xác định nó, phải rất cố gắng để biết chắc chắn khoảng cách theo hướng đông-tây mà tàu đã vượt qua. Không có gì tốt hơn là chờ đợi và thực hiện quan sát giao hội của Mặt Trăng với các hành tinh khác vào ban đêm, do Mặt Trăng nhanh hơn trong hành trình. Ngày 23 tháng 8 năm 1499, đã có giao hội của Mặt Trăng với Sao Hỏa, mà theo niên lịch đã diễn ra vào nửa đêm hoặc nửa giờ trước đó. Họ phát hiện ra rằng...vào lúc nửa đêm thì vị trí của Sao Hỏa là khoảng 03 độ rưỡi về phía đông. Bằng cách so sánh các vị trí tương đối của Mặt Trăng và Sao Hỏa với các vị trí đã dự đoán trước của chúng, Vespucci đã có thể suy luận một cách thô thiển kinh độ.

Và phương pháp này có quá nhiều hạn chế: đòi hỏi sự diễn ra của một sự kiện thiên văn thông qua niên lịch thiên văn, cũng cần phải biết thời gian chính xác xảy ra. Cuối cùng, nó đòi hỏi nền tảng quan sát ổn định, trong khi việc thực hiện kỹ thuật này trên boong tàu tròng trành nhấp nhô trên con sóng biển là không khả thi.

4. Ước lượng vị trí kinh độ theo giờ chuẩn:

Do có 24 giờ trong ngày và 360 độ trong một đường tròn, nên Mặt Trời di chuyển trên bầu trời với tốc độ 15 độ mỗi giờ (360°/24 giờ = 15°/giờ). Để thực hiện tính toán này, người ta cần có đồng hồ bấm giờ (đồng hồ) đặt theo một mốc giờ chuẩn (UTC) để đo chính xác giờ trên tàu. Không giống như vĩ độ, có xích đạo như là vị trí khởi đầu tự nhiên, ở đây không có vị trí khởi đầu tự nhiên cho kinh độ, vì thế, một kinh tuyến tham chiếu cần được chọn ra. 

Kinh độ được tính theo số đo góc từ 0° tại kinh tuyến gốc tới +180° về phía đông và −180° về phía tây. Mỗi độ kinh độ được chia thành 60 phút, mỗi phút lại được chia thành 60 giây.

Vì thế nếu múi giờ của một người nào đó là 3 giờ, nhanh so với UTC - thì người này ở gần với kinh độ 45° (3 giờ × 15°/giờ = 45°).

Vào những năm 1500

Chiếc đồng hồ quả táo của Peter Henlein vào năm 1505 mở ra phong trào đồng hồ size nhỏ trở nên thịnh hành, đeo trên người và được gắn vào quần áo hoặc đeo quanh cổ như một chiếc vòng cổ. ​

Đồng hồ chỉ có kim giờ và chúng không có tác dụng tốt trong việc đo thời gian vì sai số lớn. Vì vậy, đeo chúng chỉ là biểu tượng địa vị của người giàu hơn là việc tính giờ, độ chính xác có tầm quan trọng rất nhỏ.

​Từ 1470 đến 1530 

Được xem là thời kỳ hoàng kim (Blütezeit – hưng thịnh (Tiếng Đức) của thành phố Nuremberg. Vào thời gian đó, thành phố trở thành trung tâm kỹ nghệ thủ công, khoa học và chủ nghĩa nhân văn. 

Vào thời gian này, vẫn có xu hướng chế tạo những chiếc đồng hồ size nhỏ có hình dạng khác thường: như sách, động vật, trái cây, ngôi sao, hoa, côn trùng, cây thánh giá và thậm chí cả đầu lâu đã được chế tạo.

​1540

Vít được sử dụng cho đồng hồ, giúp các linh kiện nhỏ hơn được giữ chặt hơn, giúp tăng chính xác tốt hơn nhiều so với các mẫu đầu tiên.

1577

Jost Burgi đã phát minh ra kim phút, mặc dù đồng hồ thế kỷ 16 vẫn chưa đạt được sự chính xác. Nhưng kim phút đã giúp ta dễ nhìn thời gian hơn.

1581

Nhà thiên văn học và vật lý học người Ý Galileo đã phát hiện ra các tính chất của con lắc, qua sự chuyển động lắc lư của một chiếc đèn chùm trong Nhà thờ Pisa.

Ông khám phá ra tính chất quan trọng làm cho con lắc trở nên hữu ích trong việc đo thời gian, được gọi là tính đẳng thời; chu kì của con lắc xấp xỉ độc lập với biên độ và chiều rộng của dao động.

​    

Chu kỳ T không phụ thuộc vào khối lượng vật nặng, mà chỉ phụ thuộc chiều dài L dây treo & gia tốc trọng trường G.

Ông sử dụng con lắc trong các ứng dụng đo thời gian đơn giản. Người bạn bác sĩ của ông, Santorio Santorii, đã phát minh ra một thiết bị đo nhịp tim của bệnh nhân bằng chiều dài của một con lắc, gọi là pulsilogium.

Năm 1641, Galileo đã truyền ý tưởng cho con trai của mình là Vincenzo, một thiết kế đồng hồ quả lắc; Vincenzo bắt đầu chế tạo, nhưng chưa kịp hoàn thành thì ông qua đời vào 1649. 

Con lắc là cơ cấu dao động điều hòa đầu tiên được con người sử dụng.

1610

Giới thiệu mặt kính bảo vệ trên đồng hồ.

Điều này cuối cùng đã cho phép bảo vệ đáng tin cậy các mặt số thời gian trên đồng hồ nhỏ cầm tay.

Đồng hồ thời đó nổi tiếng là dễ bị bám bẩn do tiếp xúc với các yếu tố thời tiết và chỉ có thể được giữ an toàn khỏi bị tổn hại nếu được cất cẩn thận trong túi. Để vừa với túi, hình dạng của chúng đã phát triển thành hình dạng đồng hồ bỏ túi điển hình, được làm tròn và dẹt không có cạnh sắc. Kính được sử dụng để che mặt bắt đầu từ khoảng năm 1610.

1635

Nhà phát minh và thợ đồng hồ người Pháp Paul Blois đã giới thiệu những mặt số tráng men đầu tiên.

​

1656

Nhà vật lý nổi tiếng người Hà Lan - Christian Huygens đã giới thiệu chiếc đồng hồ đầu tiên có bộ thoát bánh răng biên và bộ điều khiển con lắc. Cảm hứng sáng tác của Christiaan Huygens bắt nguồn từ nhà khoa học đại tài người Ý Galileo (Ga-Li-Lê).

     ​​

Đây là một cải tiến lớn so với đồng hồ cơ thời bấy giờ; tuy vậy, độ lệch thời gian còn lớn, và chưa đủ tin cậy.

1675

Robert Hooke đã phát minh ra lò xo cân bằng xoắn ốc, thay vì sử dụng con lắc... Thiết bị này ngày nay ta gọi là balance.

​

​Trái tim của mỗi chiếc đồng hồ cơ là ở bộ thoát balance, bộ phận chịu trách nhiệm tiết chế lực kéo của quả tạ, một cách đều đặn. 

Tuy nhiên, bản vẽ ứng dụng một trong những lò xo cân bằng đồng tâm đầu tiên, được gắn vào bánh xe cân bằng, là do Christiaan Huygens gửi trong lá thư của ông để đăng trên tạp chí Journal des Sçavants ngày 25 tháng 2 năm 1675. 

​

Một phần trong bài giảng của Robert Hooke về lò xo – năm 1678

Việc áp dụng lò xo cân bằng xoắn ốc (lò xo xoắn ốc) dành cho đồng hồ này đã mở ra một kỷ nguyên mới về độ chính xác. Không còn bị lệ thuộc bởi sự dịch chuyển của con lắc, nhất là trên tàu thuyền, xe lửa....

khi lò xo dao động - sẽ truyền qua trụ có đầu răng nhỏ, để ăn khớp với bánh răng rìa bên dưới - nhưng vẫn vẫn còn sai số.

Hooke, lúc này đã nổi tiếng, khẳng định rằng ông đã trình bày một phát minh như vậy cho Hội Hoàng gia 5 năm trước đó. Hooke buộc tội Huygens ăn cắp ý tưởng của mình, nhưng không có bằng chứng đưa ra, vì tài liệu bị huỷ bởi Isac Newton, và Henry Oldenburg người chịu trách nhiệm cho việc ghi chép các cuộc họp của Hội đồng hoàng gia - do những bất đồng.

Vào năm 2006, những phát hiện ghi chú rất riêng của Hooke về các biên bản của các cuộc họp của Hiệp hội Hoàng gia trong những năm 1661 đến 1682. Biên bản Hooke Folio đã khôi phục vị trí của Robert Hooke trong việc tranh chấp bản quyền phát minh dây tóc cân bằng trước Huygens.

Thật đáng tiếc là Hooke chưa bao giờ được đánh giá cao trong lĩnh vực chế tác đồng hồ như đáng lẽ ông phải có, bởi những thế mạnh nghiên cứu của Huygens, nhưng cuối cùng ông cũng nhận được sự công nhận mà ông xứng đáng nhận được, ngay cả khi 300 năm đã trôi qua.

Sự đổi mới này đã tăng cường độ chính xác cao hơn, giảm thiểu sai sót ở đồng hồ từ có lẽ vài giờ mỗi ngày xuống còn khoảng 10 phút mỗi ngày, dẫn đến việc bổ sung kim phút vào mặt đồng hồ từ khoảng năm 1680 ở Anh và khoảng năm 1700 ở Pháp.

Cũng trong năm 1675, vua Charles II của Anh đã giới thiệu chiếc áo ghi lê. Trong thời gian này, đồng hồ đã được cải tiến về kiểu dáng bỏ túi để vừa với túi áo ghi lê, một phong cách mới của giới thượng lưu.

Độ chính xác của bộ thoát bánh răng rìa của Huygens năm 1675 đã khơi dậy làn sóng chế tạo đồng hồ kéo dài tới hai thế kỷ đổi mới.

1664

William Clement một thợ đồng hồ, đã thành lập doanh nghiệp sản xuất đồng hồ tháp pháo ở Southwark (gần nơi chủ cũ của ông là Thomas Chapman - một thợ đồng hồ có kinh nghiệm, và anh cả Richard Clement - một thợ rèn). 

Hiệp hội Middle Temple đã chọn William Clement, một thợ đồng hồ mới có trình độ thay vì chủ của ông là Thomas Chapman một người có kinh nghiệm hơn, để chế tạo chiếc đồng hồ mới của họ với mục tiêu vật liệu bền hơn, chính xác hơn.

Theo hợp đồng được lập giữa William Clement và Hiệp hội, Clement đã đồng ý chế tạo một chiếc đồng hồ quả lắc... để phía trên hiên hội trường của họ bởi Michalmas ngày 29 tháng 9 năm 1667 với số tiền là 45 bảng Anh. ​

Đồng hồ nhà thờ này đã nhận được sự nâng cấp quan trọng với sự ra đời của "mỏ neo" dấu ^ gắn với con lắc đơn do William Clement phát minh. 

Đồng hồ tháp pháo của william clement, có niên đại năm 1672 với bộ thoát mỏ neo dấu ^.

William Clement đã nhờ em trai mình là Walter Clement, một thợ rèn, làm những chiếc neo cho mình. Vì vậy, với ý tưởng sử dụng một mỏ neo làm pallet, và một bánh xe có 30 răng làm bánh thoát, anh ấy đã có thể tạo ra một máy chính xác hơn, kết hợp với một con lắc dài khoảng 39 inch với một quả lắc nặng sẽ đập một lần mỗi giây.

Cơ cấu "đòn bẩy" mang tính đột phá này có chức năng điều tiết vòng xoay (Nhanh/Chậm) của lực kéo từ quả tạ qua hệ bánh răng gắn với kim đồng hồ. Là một bước nhảy vọt của Khoa học đồng hồ vì đã tăng độ chính xác từ sai số 15 phút mỗi ngày thành 15 giây mỗi ngày ở đồng hồ cố định có gắn quả lắc.

Tuy nhiên, cơ cấu này đòi hỏi một vị trí cố định, nếu nghiêng trái hay phải là bị mất cân bằng, hay bị ảnh hưởng bởi trọng lực.

-----------

(1671 - Trong chuyến thám hiểm tới Cayenne, Guiana thuộc Pháp, Jean Richer phát hiện ra rằng đồng hồ quả lắc chạy chậm hơn 2 phút rưỡi mỗi ngày tại Cayenne so với tại Paris. Từ đó, ông suy luận rằng lực hấp dẫn ở Cayenne yếu hơn. 

​Vào năm 1687, Isaac Newton đã chỉ ra trong cuốn Princia Mathematica rằng, do Trái đất không phải là một hình cầu thực sự mà có phần dẹt lại (dẹt ở hai cực) do tác dụng của lực ly tâm tạo ra bởi sự tự quay của chính nó khiến lực hấp dẫn tăng theo vĩ độ. Các con lắc di động này bắt đầu được các nhà thám hiểm mang theo trong các chuyến đi đến những vùng đất xa xôi, để làm thước đo gia tốc trọng trường chính xác tại những địa điểm khác nhau trên Trái đất, cuối cùng giúp tạo ra các mô hình chính xác về hình dạng của Trái đất.)

--------------

Vậy, bài toán đặt ra là nếu trên tàu thuyền, trên các phương tiện giao thông công cộng như tàu hoả, xe bus, ... đồng hồ quả lắc bị rung lắc gây lệch cân bằng, và nhanh chậm theo trọng lực tác động ở các nơi khác nhau trên trái đất,....

1680

Thợ làm đồng hồ nổi tiếng người London, Daniel Quare đã giới thiệu tới công chúng kim phút đồng tâm dành cho đồng hồ. Ông cũng nghiên cứu việc tạo ra những chiếc đồng hồ lặp lại. Cơ chế lặp lại âm thanh chuông reo mỗi phần tư giờ.

1695

Bộ thoát bánh răng rìa của Huygens năm 1675 đã được cải tiến bằng bộ thoát hình trụ (cylinder), được phát minh bởi Thomas Tompion.

Bộ thoát Cylinder 

balance trụ rỗng - khi dao động sẽ - ăn khớp với bánh gai giảm tốc bên dưới, không dùng "ngựa"

Bộ thoát xi lanh này có khả năng đo thời gian chính xác tương đối, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn, độ ăn mòn, các yếu tố biến đổi bên ngoài. Do đó, bộ thoát hình trụ Cylinder này chưa bao giờ được các nhà sản xuất đồng hồ Anh chấp nhận rộng rãi. 

Ngược lại, người Thụy Sĩ đã hoàn thiện và sản xuất hàng triệu chiếc đồng hồ này cho đến đầu thế kỷ XX. Nhưng được nhập khẩu vào Anh thường ở mức giá rẻ và nó bị các nhà sưu tập đồng hồ coi thường, ngày nay chúng ta thường thấy nó ở dòng đồng hồ trench ww1, và trên máy quýt mặt men.

1702

Nicholas Facio đã thành công trong việc xuyên thủng những viên ngọc, sử dụng chúng như một ổ đỡ nạm ngọc cho các trục của bánh xe cân bằng, giúp chống mài mòn gây loét vách máy, nguyên nhân gây đứng máy và mất tính chính xác.

​Vòng bi ngọc, được giới thiệu ở Anh vào năm 1702 bởi nhà toán học Thụy Sĩ Nicolas Fatio de Duillier, cũng được sử dụng cho những chiếc đồng hồ chất lượng trong thời kỳ này. 

Đồng hồ thời kỳ này được đặc trưng bởi độ mỏng của chúng. 

Những cải tiến mới, chẳng hạn như bộ thoát "mỏ neo", bộ thoát hình trụ "Cylinder", và  bộ thoát "bánh xe rìa", "vòng bi",... "ổ cot" đã cho phép đồng hồ trở nên mỏng hơn nhiều so với trước đây. 

Điều này gây ra một sự thay đổi trong phong cách. Những chiếc đồng hồ bỏ túi dày dựa trên bờ vực đã lỗi thời và chỉ được người nghèo đeo và bị gọi một cách chế nhạo là "củ hành" và "củ cải".

Tuy nhiên, cho đến cuối tk 17, những chiếc đồng hồ thu nhỏ này đều không đạt được độ chính xác kỳ vọng, còn những chiếc tốt nhất lại là đồng hồ quả lắc có kích thước lớn chỉ đặt ở 1 chỗ. Từ khi có đồng hồ quả lắc, độ chính xác đã tăng lên, chỉ sai số từ ​​10 đến 15 giây mỗi ngày, mặc dù có nhiều sự cải tiến lớn nhưng vẫn chưa đủ tốt cho người điều hướng.

Một chiếc đồng hồ chính xác có thể được sử dụng trên biển, nơi con lắc vô dụng trước chuyển động của con tàu, vẫn còn rất nhiều lỗ hổng cần lấp đầy về mặt công nghệ. 

Những phát minh bên ngoài

Thập niên 1720

Vai trò của đồng hồ quả lắc ở các nhà thờ lớn, rõ ràng đạt sự chính xác hơn tất cả - điều này đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu thực tế trong việc cải tiến con lắc. Người ta tìm ra một lỗi lớn, đó là dây con lắc bị giãn nở và co lại theo nhiệt độ môi trường từng mùa, làm thay đổi chu kỳ dao động, gây sai số.

Điều này đã được giải quyết với việc phát minh ra các con lắc bù trừ nhiệt độ bằng con lắc thủy ngân năm 1721, và con lắc Gridiron năm 1726, giúp giảm sai số trong đồng hồ quả lắc đặt cố định chính xác xuống vài giây mỗi tuần.

George Graham được ghi nhận là người đã phát minh ra một số cải tiến về thiết kế cho đồng hồ quả lắc, đó là phát minh ra con lắc thủy ngân, bù nhiệt.

và cả đồng hồ cơ học mặt trời.

Ông được phong là thợ đồng hồ đáng tôn kính vào năm 1722.

Giữa năm 1730 và 1738, Graham có nhận một người học việc là Thomas Mudge, người sau này trở thành một thợ đồng hồ xuất sắc theo đúng nghĩa, Mudge đã phát minh ra bộ thoát kiểu đòn bẩy hay ta quen gọi là "ngựa đồng hồ", một bước phát triển quan trọng cho đồng hồ bỏ túi.

Những phát minh bên ngoài

• Người ta phát hiện ra rằng nguyên nhân chính gây ra lỗi ở đồng hồ bánh xe cân bằng của các nhà phát minh trước đó đều là do sự thay đổi độ đàn hồi của lò xo bánh xe cân bằng khi nhiệt độ thay đổi.

Năm 1748, Pierre Le Roy đã phát minh ra một loại bộ thoát có chốt xoay. Những phát minh của ông được coi là nền tảng của đồng hồ chính xác hiện đại.

Ông nổi tiếng chủ yếu ở sự thành thạo và cải tiến đồng hồ và máy bấm giờ, trên hết đó là máy đo thời gian hàng hải, trong đó ông đã tiếp nối công trình tiên phong của John Harrison.

Ông đã có một cách tiếp cận khác với Harrison, tin rằng cách để đạt được khả năng đi biển là tháo bộ thoát khỏi bánh xe cân bằng. "Phát minh về bộ thoát tách rời thuộc về P.Le Roy".

Ông cũng khác với Harrison về phương pháp bù nhiệt độ của mình, sử dụng sự thay đổi bán kính quay của bánh xe cân bằng bằng cách sửa đổi đường kính của bánh xe cân bằng thông qua các thành phần kim loại kép, một phương pháp sẽ trở thành tiêu chuẩn trong máy đo thời gian. 

Kỹ thuật bù nhiệt độ của ông cũng rất hiệu quả ở chỗ nó hoạt động mà không làm thay đổi chiều dài của lò xo xoắn ốc, mà ông đã phát hiện ra là nó chỉ đồng bộ ở một chiều dài chính xác nhất định. Lò xo cân bằng đẳng thời.

Sau khi thiết kế bản vẽ vào năm 1754, ông đã chế tạo những chiếc đồng hồ bấm giờ đầu tiên của mình vào năm 1756 và hoàn thành kiệt tác của mình vào năm 1766. Chiếc đồng hồ bấm giờ đáng chú ý này kết hợp một bộ thoát tách rời, một bộ cân bằng bù nhiệt độ và một lò xo cân bằng đẳng thời, những cải tiến sẽ được áp dụng trong các đồng hồ bấm giờ sau này.

Harrison đã chứng minh một chiếc đồng hồ bấm giờ đáng tin cậy trên biển, nhưng những phát triển này của Le Roy được Rupert Gould coi là nền tảng của đồng hồ bấm giờ hiện đại. Đồng hồ bấm giờ của Pierre Le Roy có hiệu suất tương đương với đồng hồ bấm giờ Harrison H4.

Năm 1769, sau khi máy đo thời gian của ông được thử nghiệm trên tàu corvette Aurore, ông đã được trao giải thưởng kép do Viện Hàn lâm Pháp trao tặng cho phương pháp đo thời gian tốt nhất trên biển. Ông đã thành công trong việc cung cấp cho các thiết bị của mình sự đều đặn lớn nhất có thể bằng cách khám phá ra lò xo xoắn đẳng thời, trong đó ông cạnh tranh với Ferdinand Berthoud, nhưng ông đã công bố đầu tiên.

Tuy nhiên, công trình của Le Roy không được công nhận đầy đủ ở Pháp và người đương thời của ông là Ferdinand Berthoud trở nên nổi tiếng hơn, đạt được danh hiệu danh giá Horloger de Marine, điều này khiến Le Roy vỡ mộng và dẫn đến việc ông nghỉ hưu, và mất 1785.

Những phát minh bên ngoài

• 1754 - Thomas Mudge (1715-1794) một nhân vật trung tâm khác của ngành chế tạo đồng hồ. Mudge đã phát minh ra bộ thoát đòn bẩy tách rời, cải tiến bộ thoát tách rời của P.Le Roy trước đó, và ông đã mang lại cho đồng hồ âm thanh "tick-tock" đặc trưng.

Khi 14 hoặc 15 tuổi (1729), ông được gửi đến London để học nghề với George Graham (một thợ làm đồng hồ tủ và đồng hồ đeo tay), và đã được Thomas Tompion đào tạo (người phát minh bộ thoát Cylinder 1674).

Năm 1770, 55 tuổi, Mudge từ bỏ công việc kinh doanh và rời London để đến sống ở Plymouth cùng với anh trai là Tiến sĩ John Mudge. Kể từ ngày đó, Mudge bắt tay vào phát triển đồng hồ bấm giờ hàng hải có thể đáp ứng các yêu cầu của Ban Kinh độ cho thiết kế của mình.

Ông đã gửi chiếc đầu tiên trong số này đi thử nghiệm vào năm 1774 và được thưởng 500 bảng.

Ông đã hoàn thành 02 công trình khác vào năm 1779 trong nỗ lực không ngừng nhằm đáp ứng những yêu cầu ngày càng khó khăn do Ban Kinh độ đặt ra. 

Chúng đã được Nhà thiên văn học Hoàng gia, Nevil Maskelyne thử nghiệm và được tuyên bố là đang không đạt yêu cầu. Sau đó đã xảy ra một cuộc tranh cãi, trong đó người ta cho rằng Maskelyne đã không xem xét một cách công bằng.

Cuối cùng, vào năm 1792, hai năm trước khi ông qua đời, Mudge đã được Ủy ban của Hạ viện trao tặng 2.500 bảng Anh. Ủy ban này đã quyết định ủng hộ Mudge và chống lại Hội đồng Kinh độ, lúc đó đứng đầu là Sir Joseph Banks.

Những phát minh bên ngoài

• 1760 - Jean-Antoine Lépine đã phát minh ổ cot cung cấp lực truyền động ổn định hơn trong suốt thời gian hoạt động của đồng hồ vào thế kỷ 19, nó thay thế ổ cot ra đời trước đó đã trở nên lỗi thời.

​

Trước đó cot cầu chì trên những chiếc đồng hồ bị sai số cao, do dây cót chính (mainspring) gây ra lỗi lớn mà ở đồng hồ chạy bằng con lắc không bị. Đó là lực do lò xo tạo ra không phải là đẳng thời, mà giảm dần khi lò xo giãn ra. Tốc độ của bộ máy bị ảnh hưởng, vì vậy những chiếc đồng hồ đời đầu chạy chậm lại trong thời gian chạy khi dây cót giãn dần ra. Vấn đề này, được gọi là thiếu tính đẳng thời, đã gây khó khăn cho đồng hồ cơ trong suốt lịch sử của chúng.

Những nỗ lực tập trung vào việc điều chỉnh đường cong mô-men xoắn dốc của dây cót này đã cải thiện độ chính xác của đồng hồ cho tới thời điểm này là tương đối hoàn thiện và chính xác.

​Những phát minh bên ngoài

Josiah Emery sinh ra tại Etagnieres, Thụy Sĩ vào năm 1725 và sau đó định cư tại London tại số 33 phố Cockspur. Ông được biết đến nhiều nhất với tư cách là người tiên phong trong lĩnh vực thoát đòn bẩy, và theo chân Thomas Mudge trở thành nhà sản xuất đồng hồ đòn bẩy thứ hai, lấy cảm hứng trực tiếp từ mẫu thoát đòn bẩy thẳng hàng của Mudge, nhưng theo thiết kế của riêng ông.

​Bá tước von Bruhl, Đại sứ tại Vương quốc Anh cho Tòa án Saxony và là người bảo trợ và bạn trung thành của Thomas Mudge, đã khuyến khích Josiah Emery chế tạo một số đồng hồ đòn bẩy.

Mặc dù Mudge đã hình thành ý tưởng về bộ thoát đòn bẩy vào năm 1754 - từ ý tưởng bộ thoát rời của Thomas Mudge (phát minh 1754), nhưng mãi đến năm 1770, ông mới tặng chiếc đồng hồ đầu tiên có bộ thoát cho Vua George III, và phải 11 năm sau đó, vào năm 1781, Emery mới bắt đầu chế tạo đồng hồ đòn bẩy của riêng mình.

• 1785 - Josiah Emery mới cải tiến bộ thoát rời của Thomas Mudge (phát minh 1754) thành bộ thoát chữ T. 

Ưu điểm của đòn bẩy T là nó cho phép bánh xe cân bằng lắc hoàn toàn tự do trong hầu hết chu kỳ của nó; do "chặn" và "nhả" nên hành động của nó rất chính xác; và nó tự khởi động, nên nếu bánh xe cân bằng bị dừng lại thì nó sẽ tự bắt đầu lại.

Emery tiếp tục chế tạo đồng hồ đòn bẩy của mình trong suốt quãng đời còn lại (mất 1796). Emery đã làm đồng hồ đòn bẩy với hai kích cỡ và người ta cho rằng ông đã sản xuất khoảng 38 chiếc trong số đó từ năm 1782-1795. Do đó, chiếc đồng hồ quan trọng này là một trong những chiếc đồng hồ sớm nhất từng được sản xuất với bộ thoát đòn bẩy.

Sự phức tạp trong việc thực hiện dạng thoát đòn bẩy của Emery đòi hỏi trình độ thủ công cực kỳ cao, và vì lý do này, có lẽ không có gì ngạc nhiên khi các thiết kế của ông không được sử dụng rộng rãi - cho tới khoảng năm 1800 trở đi. Nó cũng được Abraham-Louis Breguet áp dụng.

​Cho đến khoảng năm 1900, bộ thoát đòn bẩy chữ T này mới được sử dụng rộng rải trong hầu hết mọi chiếc đồng hồ được sản xuất.  

Máy thủ công hoạt động như thế nào:

1. Xoay núm vặn để lên dây cót chính, khiến nó tích trữ năng lượng.
2. Bộ truyền động bánh răng truyền năng lượng đến bộ thoát.
3. Bộ thoát chia năng lượng thành các bộ phận được điều chỉnh.
4. Bánh xe cân bằng sử dụng năng lượng được điều chỉnh này để đập qua đập lại với tốc độ không đổi.
5. Cứ sau một số nhịp nhất định, bộ truyền động mặt số truyền năng lượng đến kim đồng hồ.
6. Kim đồng hồ tiến lên.

Máy tự động hoạt động như thế nào:

1. Chuyển động của tay làm quay rotor lên dây cót chính. Hoặc xoay núm điều chỉnh cũng lên dây cót chính.
2. Bộ truyền động bánh răng truyền năng lượng đến bộ thoát.
3. Bộ thoát đo năng lượng thành các bộ phận được điều chỉnh.
4. Bánh xe cân bằng sử dụng năng lượng được điều chỉnh này để đập qua đập lại với tốc độ không đổi.
5. Cứ sau một số nhịp nhất định, bộ truyền động mặt số truyền năng lượng đến kim đồng hồ.
6. Kim đồng hồ tiến lên.

Lò xo ổ cot chính và công việc chuyển động:

Hầu hết các bộ máy đồng hồ cơ có thời gian chạy từ 36 đến 72 giờ. Một số bộ máy đồng hồ cơ có thể chạy trong một tuần. Thời gian chạy chính xác của một bộ máy cơ được tính bằng công thức:
${\displaystyle {\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}}_{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">2</font></font>}}<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">=</font></font>\frac{{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}}_{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">1</font></font>}}<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">\cdot </font></font>{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}}_{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">1</font></font>}}}{{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}}_{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">2</font></font>}}}}$

ở đây là số răng của vỏ ổ cot, là số lá bánh răng trung tâm, là số vòng quay của nòng súng, và là số vòng quay của bánh răng trung tâm — thời gian chạy.

Bánh xe cân bằng (Balance):

Nó bao gồm một bánh xe có trọng lượng quay qua lại, được đưa trở lại vị trí trung tâm của nó bằng một lò xo xoắn mịn, lò xo cân bằng hoặc "lò xo tóc". Bánh xe và lò xo cùng nhau tạo thành một dao động điều hòa . Khối lượng của bánh xe cân bằng kết hợp với độ cứng của lò xo để kiểm soát chính xác chu kỳ của mỗi lần xoay hoặc "nhịp" của bánh xe. Chu kỳ dao động T của bánh xe cân bằng tính bằng giây, thời gian cần thiết cho một chu kỳ hoàn chỉnh (hai nhịp), là:

${\displaystyle \mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">=</font></font>\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">2</font></font>}\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">số\; \pi </font></font>}\sqrt{\frac{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">TÔI</font></font>}}{\mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}}}}$

Ở đây ${\displaystyle \mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">TÔI</font></font>}}$là mômen quán tính của bánh xe tính bằng kilôgam-mét ² và ${\displaystyle \mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}}$là độ cứng (hằng số lò xo ) của lò xo cân bằng tính bằng newton-mét trên radian.

Hầu hết các bánh xe cân bằng của đồng hồ dao động ở mức 5, 6, 8 hoặc 10 nhịp mỗi giây. Điều này tương ứng với 2,5, 3, 4 và 5 Hz, hoặc 18.000, 21.600, 28.800 và 36.000 nhịp mỗi giờ (BPH). Trong hầu hết các đồng hồ, có một đòn bẩy điều chỉnh trên lò xo cân bằng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của đồng hồ. Nó có hai chốt chặn ôm lấy vòng quay cuối cùng của lò xo, giữ cho phần phía sau các chốt không chuyển động, do đó vị trí của các chốt chặn xác định chiều dài của lò xo. Di chuyển đòn bẩy điều chỉnh sẽ trượt các chốt chặn lên hoặc xuống lò xo để kiểm soát chiều dài hiệu quả của nó. Trượt các chốt lên lò xo, làm ngắn chiều dài của lò xo, làm cho nó cứng hơn, tăng ${\displaystyle \mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}}$trong phương trình trên, giảm chu kỳ của bánh xe ${\displaystyle \mathrm{<font\; style="vertical-align:\; inherit;"><font\; style="vertical-align:\; inherit;">????</font></font>}}$vì vậy nó dao động qua lại nhanh hơn, khiến đồng hồ chạy nhanh hơn.