TECHNIKATÖRTÉNET
SZILÁGYI JÓZSEF
Nagy tudósok az órakészítés történetében
A technika- és tudománytörténet több nagy alakja közvetlenül kapcsolatba került az időmérés történetével, több vonatkozásban is. Először is az óraszerkezetek fejlődésének egyes lépcsőfokait csak a fizika legújabb eredményei tették lehetővé. Az órák vonatkozásában a legnagyobb ilyen állomást talán az inga bevezetése jelentette. Ahogy az ingamozgással kapcsolatos törvényszerűségek feltárása Galilei gondolatain alapult, a pontos összefüggésekhez azonban csak Huygens jutott el. Az első ingaórát is Galilei vázolta fel, de működő ingaórát később Huygens készített. Másrészt a fizikusok időnként maguk kényszerültek arra, hogy ötletes időmérő eszközöket alkalmazzanak, mivel kísérleteikhez nem állt rendelkezésre kellően pontos óraszerkezet. Galilei például a szabadesés törvényszerűségeinek vizsgálatakor nem rendelkezett megfelelő órával, ezért többféle gyakorlati fogásra kényszerült. Egyrészt kénytelen volt leeső test helyett lejtőn guruló testeket vizsgálni. Lejtőn guruló test esetében a sebességviszonyok ugyanúgy alakulnak, mint szabadeséskor, azonban a mozgás lassúbb, a közben eltelt idő hosszabb, könnyebben lehet mérni. Másrészt Galileinek lejtőkísérleteihez teljesen egyedi időmérési módszert kellett alkalmaznia pontos óra hiányában: kísérletei során egy saját készítésű vízórát használt.
GalileiDiscorsi e demonstrazioni mathematiche intorno a due nuove scienze (Matematikai érvelések és bizonyítások két új tudományágról) c. művében - elsősorban a leíró mozgástanban elért konkrét eredményeivel - kiindulópontként szolgál a XVII. század mechanikájának. Az itt kifejtett mozgástani vizsgálatai során jutott el inga alkalmazásához, az ingamozgás törvényszerűségeinek vizsgálatához és megformulázásához. Az elődei és kortársai közül gyakorlatiasságával is kiemelkedő Galilei számára innen már csak egy lépés volt az inga alkalmazása az időmérésben, az óra szabályozó elemeként. A természet, a fizika törvényszerűségeit tárgyaló elődei között talán Arisztotelész volt az utolsó, aki nem a Szentírás szavaiból indult ki, hanem konkrét megfigyeléseket is végzett. Az elméletírók hozzáállását jól tükrözi, hogy a Novum Organum c. művével az újkor tudományos forradalmát meghirdető, a megismerésben, a tudományban az első helyre a tapasztalást állító, és a tudást a hittől élesen különválasztó Francis Bacon például soha egyetlen kísérletet sem végzett. Galilei óriási jelentőségű tudománytörténeti fordulata volt az is, hogy megkezdte azt a fajta tudományos munkát, amely pontosan megtervezett és korrektül dokumentált kísérleteken alapult. Pontosan rögzítette tehát előfeltevéseit, az alkalmazott eszközöket, az elvégzett megfigyeléseket, eredményeket és a levont következtetéseket.
A szabadesés tárgyalásánál Galilei abból a megfontolásból indult ki, hogy a természetben a változó sebességű mozgás nyilvánvalóan a lehető legegyszerűbb törvényszerűség szerint megy végbe, és mi sem lehet egyszerűbb, mint amikor a sebesség azonos időtartományban mindig azonos mennyiséggel növekszik. Ma úgy mondanánk, hogy Galilei az egyenletesen gyorsuló mozgást vette kiindulásul. Felmerül a kérdés, hogy miért nem vehető ugyanilyen indokkal legegyszerűbb mozgásnak az, amelynél azonos út befutása után következik be az azonos nagyságú sebességváltozás. Galilei válasza erre: ez utóbbi mozgás logikailag lehetetlen.
Hogy az egyenletesen gyorsuló mozgás feltételezése helyes-e, azt közvetlenül kísérletileg nem lehetett igazolni, mert a pillanatnyi sebesség mérése nem volt lehetséges. Ezért ebből a feltevésből olyan összefüggést kellett kifejezni, amely már a mérések számára hozzáférhető.
Először is Galilei felírta az eső test által megtett utat mint az idő függvényét: a közepes sebességet megszorozta az idővel. Ezzel eljutott a következő törvényszerűséghez: az eső test által különböző idők alatt megtett utak úgy aránylanak egymáshoz, mint a megtételhez szükséges idők négyzetei.
Mai jelölésmódunkkal, de Galilei gondolatmenetét meg nem hamisítva, röviden így foglalhatjuk össze a mondottakat:
A sebesség legyen arányos az idővel: v = at. A közepes sebesség, ha a test nulla sebességgel indul: v k 
. Így tehát a megtett út: s = v kt = 
t = 
at 2. Ebből rögtön következik, hogy 
= 
= konst., vagy más szóval: 
= 
.
Ez az eredmény már mérésekkel igazolható. Hiszen mind az utat, mind az időt mérni lehet, és így meg lehet vizsgálni, hogy vajon az összetartozó út- idő értékpárokra vonatkozóan fennáll-e az előbb meghatározott arányosság. A mérés közvetlen végrehajtásánál azonban a már említett újabb akadály merült fel: túlságosan kis időket kellene mérni ahhoz, hogy a törvényt igazoljuk. Galilei ezen a nehézségen úgy segített, hogy kis hajlásszögű lejtőt vett, és ezzel - megtartva a jelenség időbeli lefolyásának jellegét - mintegy lelassította a szabadesés folyamatát úgy, hogy most már a rendelkezésére álló időmérő eszközzel is kellő pontosságú mérést tudott végezni. Gondolata az volt, hogy a lejtő esési szögének növelésével, más szóval a lejtő egyre meredekebbé tételével végül is a függőleges irányú szabadeséshez jutunk.
A mechanika történetében, pontosabban a mozgásokkal kapcsolatban először találkozunk egy kísérletnek, a kísérlet körülményeinek részletes leírásával úgy, ahogy ma azt egy tudományos közleményben megkívánják. Mint már szó volt róla, az idő mérésére Galilei a vízóra egy változatát használta. Egy tartályból vékony csövön át vizet engedett egy edénybe a lejtőn elindított golyó futásának időtarta-mára. A kifolyt vizet egy pontos mérlegen megmérte, és ebből következtetett a futás idejére. Ily módon valóban sikerült az út és az idő négyzetének viszonyát megállapítania, és ennek állandóságát egy adott lejtőre bizonyítania.
1. ábra
Galilei a szabadesés törvényszerűségeinek vizsgálata közben jutott el az inga mozgástörvényeinek vizsgálatához, mivel feltételezései igazolásához ingára volt szüksége. Ő még csak hipotézisként feltételezte, hogy egy lejtőn eső test sebessége kizárólag a lejtő magasságától függ. A tételt egy inga segítségével demonstrálta (1. ábra). Az ingát meghatározott szöggel kitérítette, majd a súlyt tartó fonál útjába lengés közben egy akadályt helyezett úgy, hogy a súly kisebb sugáron lengett tovább. Azt találta, hogy a test ilyenkor ugyanolyan magasságig emelkedik, mint amilyen magasságból eredetileg indította a testet. Ebben a meglátásban csírájában már az energiamegmaradás elvét, pontosabban a kinetikus és potenciális energia egymásba alakulását lehet felfedezni.
Galilei elévülhetetlen érdeme, hogy megállapította azt a tényt, hogy az ingamozgás periódusa a testek súlyától, anyagi minőségétől független. Kis amplitúdók esetén még az amplitúdótól függetlenül is állandó. Nagy amplitúdók esetén azonban ez a törvény nem érvényes. Galilei még számos maradandó megállapítást tett, például felismerte, hogy az elhajított test parabolapályát ír le.
A XVII. századig a legtöbb mechanikus óra ún. fóliószabályozással működött (2. ábra). Az ábra szerinti óraszerkezet középpontjában helyezkedik el a fogazott koronakerék, amelynek tengelyére egy dob van rögzítve.
2. ábra
A dobra egy nem ábrázolt kötél van feltekerve a végén egy súllyal. Ez a súly működteti az órát, elforgatva a koronakereket az óramutató járásával ellenkező irányba. A függőleges tengelyre két retesz van rögzítve, amelyek a koronakerék fogaihoz kapcsolódnak. A tengelyre egy vízszintes rúd, a fólió van rögzítve, amelyről súlyok függenek. A koronakerék fogaiban felütköző reteszek a kerék forgásával alternáló elfordulásra késztetik a fóliót, amely ide-oda billeg, miközben a koronakerék fokról fokra elfordul. Ez a fokonkénti legördülés adja az óra ritmusát, amely a mutatók egy-egy időegységnyi elmozdulásában jelenik meg. Az óra ritmusát a fólión lévő súlyok által kifejtett forgatónyomaték változtatásával lehetett szabályozni, azaz a súlyok kifelé vagy befelé történő elmozdításával. Ha az óra például sietett, akkor a fólió súlyait kifelé mozgatták, lassítva ezzel a ritmust.
A fóliószabályozás pontossága igen korlátozott volt, napi 15 perc körül ingadozott. Sokkal megbízhatóbb órákat tett lehetővé az inga lengésére alapozott szabályozás, hiszen az inga lengésideje állandó.
Galilei 1582-ben a pisai katedrálisban megfigyelte egy kötélen függő lámpa ingását, és úgy találta, hogy az ingamozgás periódusa a közben eltelt hosszú idő alatt is alig valamicskét változott. 1637-ben született az az ötlete, hogy az óra vezérlését is lengő súllyal kellene megoldani úgy, hogy a súly egy-egy lengésére egy kerék fordulna el egy bizonyos szögmennyiségnyit. Ekkorra Galilei már megvakult, így elgondolását fiával, Vincenzinoval és VincenzoViviani nevű tanítványával fejlesztette ki, akik megrajzolták elképzelését. Fia elkezdte megépíteni az órát, amelynek aztán az évszázadok során nyoma veszett. Galilei 1642-ben halt meg, fia 1649-ben, az óráról fennmaradt egyetlen vázlatot tanítványa rajzolta 1659-ben. A vázlat alapján azonban készültek modellek (3. ábra). A Galilei által tervezett óra még nem volt működőképes, azonban így is nagyon fontos állomás, mivel ez volt az első kísérlet az inga alkalmazására az óra szabályozásában.
3. ábra
Az arisztotelészi fizikában, amely még mindig uralkodó volt a földi testek viselkedésének magyarázatában, egy súlyos test (tehát az, amelyikben a föld elem van túlsúlyban) a saját természetes helyét keresi, amely az univerzum középpontja. Egy kötélről függő, súlyos test előre-hátra mozgása ezért olyan jelenség volt, amelyet az elmélet nem tudott magyarázni. Kívül esett az arisztotelészi paradigmán.
Galilei arisztoteliánus fizikát tanult a pisai egyetemen, de már korán elkezdte megkérdőjelezni ezt a megközelítésmódot. Ahol Arisztotelész minőségileg és szóban közelített, ott Galilei mennyiségi és matematikai megközelítést fejlesztett ki. Ahol az arisztoteliánusok amellett érveltek, hogy a súlyosabb testek ugyanabban a közegben gyorsabban esnek, mint a könnyebb testek, Galilei már pályája korai szakaszán arra a meggyőződésre jutott, hogy a sebességkülönbség a testek sűrűségétől függ. Ahol az arisztoteliánusok az egész középkorban uralkodó horror vacui elvnek megfelelően fenntartották, hogy közegellenállás hiányában egy test végtelen sebességgel fog haladni, és ezért vákuum elképzelhetetlen, Galilei végül arra a meggyőződésre jutott, hogy vákuumban minden test ugyanolyan sebességgel fog esni, és hogy ez a sebesség az esés idejével arányos.
A mozgás matematikai megközelítése miatt Galileit izgatta a felfüggesztett súly oda-vissza mozgása. A legkorábbi ilyen gondolatai bizonyára akkorra nyúlnak vissza, amikor elfogadott egy tanári állást a pisai egyetemen. Első életrajzírója, VincenzoViviani azt állítja, hogy akkor kezdte az ingákat tanulmányozni, amikor diákként megfigyelte egy felfüggesztett lámpa előre-hátra mozgását a pisai katedrálisban. Galilei első feljegyzései a tárgykörben 1588-ban keletkeztek, de komoly kutatásokat csak 1602 táján kezdett folytatni.
Galilei felfedezése az volt, hogy az inga lengésideje független a kilengés amplitúdójától, a lengés ívétől, más szóval az inga izokronizmusa. Ez a felfedezés fontos következményekkel járt az időintervallumok mérésérére nézve. 1602-ben egy barátjának írt levélben magyarázta a hosszú ingák izokronizmusát, és egy évvel később egy másik barátja, Santorio Santorio velencei orvos egy rövid ingát kezdett használni páciensei pulzusának a mérésére, amit "pulsilogium"- nak nevezett. Az inga tanulmányozása, az első harmonikus oszcillátor erre az időpontra megy vissza.
Az ingalencse mozgása érdekes kérdéseket vetett fel. Egy magasabb pontról egy alacsonyabb pontra történő mozgás során melyik a gyorsabb mozgás: amelyik egy ív mentén történik, mint az inga mozgása, vagy amelyik egy egyenes vonal mentén halad, mint egy lejtőn guruló testé? (4. ábra: a mozgáskísérleténél használt ív és lejtő.)
4. ábra
Van-e hatása az ingalencse súlyának a lengésidőre? Mi az összefüggés az ingahossz és lengésidő között?
Az ingamozgás kérdése mindig közel állt Galilei gondolataihoz kísérleti munkája során, de ott volt még a gyakorlati alkalmazás kérdése is. Az inga használható a pulzus szabályozásában vagy metronómként zene tanításában, mivel lengései egyenlő időközöket mérnek ki. Használható-e az eszköz órák továbbfejlesztésére is? A mechanikus óra, amelynél egy felfüggesztett súly biztosította a mozgáshoz szükséges energiát, a késő középkorban kezdte felváltani a sokkal régebbi vízórát. Az állandó fejlesztések eredményeként a mechanikus órák kisebbé és megbízhatóbbá váltak, de a legjobb órák pontossága is olyan gyenge volt, hogy például asztronómiai célokra teljesen használhatatlanok voltak. Nemcsak hogy jelentősen késtek vagy siettek, de mindezt szabálytalan és kiszámíthatatlan módon tették. Mi lenne, ha egy ingát akasztanánk egy óra gátlóművének kampójára abból a célból, hogy szabályozzuk? 1641-ben, 77 éves korában a teljesen vak Galilei erre a problémára irányította figyelmét.
Az orsójárat és fólió, valamint a kerékbillegő sokáig az órák jellegzetes alkatrészei maradtak, de a pontosság nem volt az erényük. Nyilvánvalónak látszott, hogy az óra pontosságát a gátlómű jobb megoldásával lehet csak növelni. Szabályozó elemként az inga kínálkozott. Az ingalengés törvényeit azonban nem vizsgálták, bár tudták, hogy bizonyos számú ingalengés például egy percig tart, s akárhányszor ismétlik a kísérletet, mindig ugyanannyiszor leng az inga egy megadott időtartam alatt. Az orvosok pulzusszámláláskor használták az ingát.
Galileo Galilei olasz fizikus, matematikus és csillagász, az újkori fizika megteremtője. Kísérletileg bebizonyította, hogy a szabadon eső testek sebessége nem függ a súlyuktól, és hogy az inga lengésideje csak az inga hosszától függ. Harmincszoros nagyítású távcsövet szerkesztett, amelynek segítségével olyan korszakalkotó felfedezéseket tett, amelyek mind cáfolták az Arisztotelészen alapuló korabeli csillagászati elképzeléseket. A világrendszerek kérdésében Kopernikusznak adott igazat, élete céljául tűzte ki, hogy ezt egy nagy műben bizonyítsa. Az inkvizíció 1616-ban ítélte el Kopernikusz tanításait. Galilei 1632-ben megjelent könyvét (Párbeszéd a két legnagyobb világrendszerről) elkobozták, 1633-ban kényszerítették nézeteinek esküvel való megtagadására. Haláláig az inkvizíció foglya maradt. Betegen, félig vakon írta meg fő művét (Beszélgetések két új tudományról), ebben foglalta össze azokat a mechanikai problémákat, amelyekkel életében foglalkozott (szabadesés, gyorsuló mozgásokról általában, tehetetlenség elve, hajítások, ingamozgás, statika, hidrosztatika).
Galilei a firenzei nagyherceg megbízásából foglalkozott ballisztikai problémákkal. Az ágyúgolyók röppályáját vizsgálva terelődött figyelme a szabadesés és ingalengés törvényei felé. Régi történetek szerint Galilei a pisai ferde toronyból ledobott kő-, fa- stb. golyókkal tanulmányozta a szabadesést, és a dóm öröklámpájának lengésén állapította meg a lengések egyidejűségét (izokronizmusát). Idős korában ingaórát próbált tervezni, de megromlott látása miatt elképzelését kedvenc tanítványa, Vincenzo Viviani (1622- 1703) rajzolta meg. A rajz megmaradt, ma a firenzei tudománytörténeti múzeumban látható.
A történetről Vivianinak Leopoldnagyherceghez írt - 1650. augusztus 20-án kelt - leveléből értesülhetünk. Ezt írta: "...mialatt 1641-ben Galilei Arcetriben lévő villájában tartózkodtam, szeretett mesterem beszélt arról, hogy az inga szabályos járását órában lehetne felhasználni, ha az órát súly vagy rugó hajtaná." A Viviani-féle rajzon súly- vagy rugómotor nem látszik. A XX. században néhány múzeum számára a rajz alapján rugómotoros órákat készítettek, s ezek meglepően pontosan jártak. (A Galilei tervei alapján 1883-ban készített modell látható az 5. ábrán.)
Idézzünk tovább a Viviani-féle levélből: "...Galilei látása annyira megromlott, hogy a tervet megrajzolni és a modellt elkészíteni nem tudta, azért elképzelését elmondta saját fiának. Galilei 1642-ben január 8-án meghalt. Fia az órát egy fiatal lakatossal elkészíttette, munka közben az alkatrészeket, súlyokat, ingát nekem megmutatta."
5. ábra
Viviani rajzán észrevehető, hogy a nagy fogaskerék félig fogazott. (A rajz gyönyörű keretbe foglalva van kiállítva a Firenzei Természettudományi Múzeumban, erről az interneten is található fotó, azonban használható másolat készítését nem teszi lehetővé, és ilyen a szakirodalomban sem található.) Lehetséges, hogy Viviani nem tartotta szükségesnek a teljes fogkoszorú megrajzolását, ahogy a mai műszaki rajzolók is csupán jelzik - néhány foggal - ha fogaskereket rajzolnak. Vagy Galilei másként gondolkodott? Nem lehetetlen. Egy kutató az ujjával mozgatni kezdte a rajz alapján készült modell nagykerekét, és megállapította, hogy a félköríven az ujja éppen egy perc alatt jár végig (illetve a kerék éppen egy perc alatt végzett fél fordulatot). Ebből arra következtetett, hogy a Viviani-féle rajzon nem óra, hanem pulzusszámláló készülék tervét látjuk. Az orvosnak tehát nem kellett mást tenni, mint a beteg pulzusát tapintva ujjával a félköríven végigmenni. Hogy így volt-e, egy későbbi kutatás talán eldöntheti. Az is lehetséges, hogy a modell még előkerül.
Az ingaóra feltalálásáról egy másik történet is szól. E szerint Rómában élt a két Campani testvér, távcsöveket, mikroszkópokat, órákat készítettek. Érdekes éjszakai órájuk ma is megvan, belülről fényforrás világítja meg a számokat. Óráik fólió- és kerékgátlásúak voltak. Egy napon Farnese bíboros olyan órát rendelt a műhelyben, ami ketyegő hangjával az alvót nem zavarja. A Campanik megígérték, hogy mindent megpróbálnak. Egy folióbillegős asztaliórát elfordítottak úgy, hogy a fólió függőleges síkban lengjen. A lassúbb járás érdekében a foliórúd végeire pótsúlyt erősítettek. Próba közben az egyik nehezék levált, és az óra - legnagyobb megrökönyödésükre - tovább járt, az alul lévő kar ugyanis mint inga lengett tovább.
Hogy a "kép" mozgalmasabb legyen, egy lengyel matematikus, Kohanszki is jelentkezett. Ő mágneses órát készített; de hogy az milyen lehetett, nem jegyezték fel. Leonardo da Vinci is tanulmányozta az inga alkalmazásának lehetőségét, ő nemcsak szabályozóelemként, hanem meghajtóműként is alkalmazni kívánta.
Leonardo sokat foglalkozott az órákkal, számos rajza tanúskodik erről. Galilei előtt már az ingás gátszerkezet tervét is lerajzolta, és ébresztőórát is tervezett. Az ébresztőóra úgy működött, hogy az alvó lábát a megfelelő időben megrántotta. A Madridi kódex I. kötetében teljes óraterve is látható (6. ábra). Egyik rajzán a motor áttételek útján négyszárnyú szélkereket forgat, ezzel a légellenállást hasznosítva gátlóművében.
Az első ingaóra 1656 decemberében készült, és sokkal pontosabb volt bármely korábbi óránál. Ez az óra körülbelül három óra alatt tévedett egy másodpercet, míg a fóliószabályozású órák néhány perc alatt késtek vagy siettek ennyit.
Bár Gailei, amikor az inga használatát felismerte, egy új fajta gátszerkezetet képzelt el, Huygens súllyal működtetett hagyományos orsós szabályozást használt. Az orsójárat oszcilláló tagja nagy szögben mozog, és Huygens felismerte, hogy ha egy inga ilyen nagy kilengést végezne, a lengés állandósága nem lenne fenntartható. Ennek elkerülésére fogaskerék-áttételt alkalmazott, hogy az orsó nagyobb szögben forogjon, mint az inga lengése. Az inga lengésideje a súly lefelé vagy felfelé mozdításával szabályozható.
6. ábra
Az ingaórát használható formában tehát Christian Huygens (1629- 1696) holland fizikus, matematikus és csillagász adta át az emberiségnek. Huygens nevével legtöbbször csillagászati könyvekben találkozunk. Huygens maga szerkesztette lencsecsiszoló gépével igen jó távcsőlencséket készített. Távcsövével ő ismerte fel a Szaturnusz gyűrűjét (amit már Galilei is megsejtett, de a gyűrű alakot még nem észlelhette távcsöve gyenge felbontóképessége miatt). A hullámok terjedésére kidolgozta a később róla elnevezett Huygens-elvet.
Huygens találta fel az ún. orsójárat néven ismert gátlóművet és a hajszálrugós billegőt. Kidolgozta az ütközés elméletét. Az ingalengés matematikai elemzésével kimutatta, hogy szigorúan véve csak az egészen szűk kilengésű ingánál lehet szó izokronizmusról. Ezért is készítették az órák ingáját lehetőleg hosszú rúddal, hogy kilengésük szűk legyen. Huygens mutatta ki, hogy egy nagy kilengésű óra izokronizmusa úgy biztosítható, ha az ingasúly parabolapályán mozog. Ezt úgy érte el, hogy fonálingát alkalmazott, ami parabola alakra hajlított két fémlemez között lengett.
Christian Huygens 1657-ben, 15 évvel Galilei halála után publikálta művét, a Horologiumot, amelyben ismerteti ingaóráját. Huygens szerkezetétől datáljuk az eszköz gyakorlati fejlődését. Egészen pontosan tekintve az egyszerű inga nem izokrón, mivel a lengésidő egy bizonyos mértékben változik a lengés amplitúdójának megfelelően, amint azt Huygens már 1650-ben kifejtette. Huygens cikloidális befogópofákat helyezett az inga felfüggesztési pontjához (7. ábra) és kimutatta, hogy az ingalencse ennek eredményeként ciklois ív pályát ír le. Amikor ez így történik, akkor az inga valóban izokrón. A gyakorlatban az ingalencse kilengését, az amplitúdót olyan kis értéken tartották, ameny- nyire csak lehetséges volt. Ennek eredményeként születtek a jól ismert képet mutató, hosszú, függőleges házban elhelyezett ingaórák, amelyekben a hosszú száron, de kis kilengéssel mozgó ingák vannak elhelyezve. Ilyen körülmények között az egyszerű inga is izokrónnak tekinthető minden gyakorlati szempontból.
7. ábra
Huygens ingaórájának tervét 1656-ban dolgozta ki, és 1657. június 16-i kelettel szabadalmaztatta (8. ábra). Órájában hengerkerékre csavart zsinór segítségével, leereszkedő súly fogaskerék-áttételek útján ún. koronakereket hajtott. A koronakerék függőleges tengelye a gátkereket forgatja, amelyet fokonként, illetve foganként az inga kis lapocskái engednek tovább. A ferde fogazású gátkerék foganként nyom az ingán, tehát azt lengésben tartja.
8. ábra
Észrevette, hogy az órasúly felhúzása közben az óramű járása bizonytalanná válik, az inga "üresen" leng, az óra kerékrendszere áll. Annak biztosítására, hogy felhúzás közben is "járjon" az óra, sajátságos felhúzórendszert talált fel. A "Huygens-féle felhúzás" lényege az, hogy a súlymotornak két súlya van, egy nagyobb és egy kisebb, és a felhúzás alatt a kisebbik folyamatosan mozgatja a kerékművet, az óra járása tehát nem változik. Huygens első - a leydeni természettudományi múzeumban (Rijksmuseum voor de Geschiedenis der Naturwettenschappen) ma is meglévő - óráját 1657-ben Salamon Coster hágai órásmester készítette. A jellegzetes Huygens-féle orsójáratú órákat még a XIX. század második felében is gyártották. Gyűjtők számára ma is készítik. Huygens 1656-os órájának rekonstruált modellje a 9. ábrán látható.
9. ábra
1665 elején Huygens furcsa rezonanciát fedezett fel két egymás mellé függesztett ingaóra esetén. Az ingaórák pontosan ugyanolyan frekvenciával, de 180 fokos fáziseltéréssel lengtek (10. ábra). Amikor az egyik ingát megzavarták, az ellentétes fázisú állapot fél órán belül helyreállt és fennmaradt. Huygens arra a következtetésre jutott, hogy ezen eredményhez szükséges kölcsönhatás a két órát tartó közös váz nem érzékelhető mozgásából eredt. Azt gondolta, hogy ez a szinkronizáció felhasználható lesz a pontos időméréshez, amivel meg lehet oldani a tengerészeti navigáció híres hosszúságifok-problémáját, és hosszú éveket töltött a tengeren is működőképes ingaórák tervezésével és tesztelésével. Végül is a hosszúsági fok mérését nem az ingaóra oldotta meg, mindazonáltal Huygens megfigyelései a rezonancia területén újabb kutatásokat inspiráltak a harmonikus rezgések vizsgálatára.
10. ábra
Működő orsójáratú toronyóra kevés van, ilyen jár - védett műszaki emlékként - a mosonszentjánosi templom tornyában, meghajtósúlya egy török kori óriási mozsárlövedék. Egy régóta üzemképtelen, méltatlanul elhanyagolt orsójáratú toronyóra látható Győrött, az ún. Ráctemplomban. Valószínű, hogy a XVIII. századból származik; egy XIX. századból származó javítást végző órás neve és a javítás dátuma is leolvasható a rozsdamarta szerkezeten. Sajnos a legtöbb orsójáratú órát horgonygátlásúvá alakították, ami az orsójáratot kedvelő és kereső gyűjtők számára értékcsökkenést jelent.
Ingás orsójáratú asztali, fali-, állóórák is készültek. Huygens még többféle órát tervezett. Ilyen órák láthatók a leydeni tudománytörténeti múzeumban, többségük nem eredeti darab, hanem Huygens rajzai alapján készült rekonstrukció. Említsünk meg néhányat. A Pendulum cylindricum trichordonnak nevezett szerkezetben a gátlómű fő része egy zsinórra függesztett üres henger, a modell 1938-ban készült (11. ábra).
11. ábra
Huygens kidolgozta a hajszálrugós kerékbillegőt, hogy az óra hordozható legyen. A hajszálrugó csigavonalban meghajlított, vékony acélszalagból készült; elterjedésével sok régi kanáljáratú órát - sajnos - átalakítottak.
Isaac Thuret párizsi órás 1675-ben Huygens tervei alapján hajóórát készített (12. ábra). Kettős fonalra akasztott, súlyos ólomlencsével készült ingával működött, mindaddig pontosan járt, amíg a tenger hullámzani nem kezdett, bebizonyítva, hogy hajókon az ingaóra használhatatlan. Az ingalengések egyidejűvé tételére szerkesztett egyik kísérleti óráján a fonal kúppaláston jár körbe. Órásüzletek kirakatában látni ilyen, látványosságként kitett órát. Legfőbb előnye, hogy zajtalanul jár. Műszerórákban ma is használják az ilyen gátlóművet.
Huygens nek az ingaóráról 1673-ban könyve jelent meg Horologium oscillatorium címen. Művét pártfogójának, XIV. Lajos királynak ajánlotta, akinek udvarában töltötte élete jelentékeny részét mint tiszteletbeli könyvtáros.
12. ábra
Huygens dicsőségét nem mindenki fogadta osztatlan örömmel. Ezek közül a legtehetségesebb, legnevezetesebb férfiú Rober Hooke (1635- 1703). Newton kortársa, ellenfele, kiváló fizikus, sokoldalú kísérletező. Newtontól függetlenül tanulmányozta a vékony lemezek színét, Newtonéhoz hasonló eredményre jutott. A gravitációval kapcsolatban is végzett kutatásokat, és kortársaival nagy prioritási vitába keveredett. Legfontosabb felfedezése, a Hooketörvény a rugalmas testek alakváltozására vonatkozik. Foglalkozott a fény elméletével - Huygensszel egy időben - és a fény hullámtermészetét megsejtette, bár elméletet erre vonatkozóan nem dolgozott ki. Összetett mikroszkópja korszakalkotó jelentőségű. Honfitársai máig Hooke-ot tartják az ingaóra feltalálójának. Valóban számos felfedezés, találmány fűződik a nevéhez. Többek között ő fedezte fel a nóniuszleolvasást. Feltalálta a libellát és a mikrométert. Szép és érdekes, gazdagon illusztrált könyveket írt, amatőr csillagászként is dolgozott. A nagy tekintélyű Royal Society titkáraként fontos ember volt. A hajszálrugós billegő feltalálójának saját magát tartotta, noha az ő szerkezete más volt, mint Huygensé. Egészen más egyéniség volt, mint a szerény, de nagy tudású Huygens, aki sohasem késett elismerni más érdemeit, elsőbbségét.
Huygens feljegyzései közt utalást találunk Galilei ingaóratervére is. Egy Boulliau nevű tisztelője 1660-ban levelet írt Huygensnek. A levélhez mellékelte Galilei órájának tervrajzát, továbbá tudatta, hogy Galilei rokonai - akik a tudós életében egyáltalán nem igyekeztek a magánnyal, vaksággal, betegséggel sújtott Galileit vigasztalni - hogyan próbálnak pénzt kicsiholni az óratalálmányból. Huygens válaszolt tisztelőjének: "Nagyon megörültem Galilei órarajzának. Látom, olyan ingája van, mint az enyémnek, de az elrendezése bonyolultabb..."
Egy másik írásában Huygens hűvös hangon szól megtámadott elsőbbségéről. "Ezen találmány - ti. az ingával szabályozott óra - hatalmas sikere több feltalálót késztetett arra, hogy a dicsőséget magának vagy legalábbis hazájabelinek tulajdonítsa. Valóban különösnek látszik, hogy tizenhat évvel ezelőtt sem szóban, sem írásban senki nem beszélt az egyszerű ingaóráról, a cikloisinga pedig igazán nem jutott senkinek az eszébe. Én az óra leírását és rajzát 1658-ban nyomtatásban közöltem, és néhány órát barátaimnak ajándékoztam. Mindez közismert, akár tudósok vagy a szabadalmi hatóságok igazolhatják állításomat. Mégis, hat évvel később egyesek ugyanazon szerkezetű órát úgy ismertetik, mintha az ő vagy a kedves barátjuk találmánya lenne. Az igazság az, hogy Galilei is kísérletezett vele, de betegsége és halála befejezését megakadályozta."
Huygens érdekes planetáriumot is szerkesztett, készülékét Van Ceulen Párizsban élő órásmester készítette remekbe. Planetáriumát rugómotor hajtja, hajszálrugós billegő szabályozza. A bolygókat jelképező fémkorongocskák egymástól való távolságának és keringésüknek aránya megfelel a valóságnak. A bolygók nem elliptikus pályán mozognak, ahogy Kepler törvényeiből következne, hanem körívpályán, ami a finommechanika akkori nehézségeinek következménye. Elliptikus kereket ma sem könnyű készíteni. A billegő - balansz - átmérője 11 cm, az óramű nemcsak a planetáriumot működteti, de az órákat és a perceket is mutatja. Az órák és a planetárium tervezése közben - 1666-tól 1681-ig - sokféle számítást kellett végeznie, fogaskerék-áttételekhez szükséges tudományos számításokat ő alkalmazott először.
A Nantes-i edictum visszavonása után Huygens visszatért hazájába, noha kérték, hogy mint "kivételezett" maradjon Franciaországban. Hazatérve még sokáig dolgozott, foglalkozott a bolygók lakhatóságának kérdésével. Cosmotheoros című könyvében arról írt, hogy "...nem lehet ésszerű, hogy Földünk kiváltságos helyzetű égitest, noha a legkisebbek közül való. Furcsa is lenne azt hinni, hogy a Föld csak azért van, hogy mi, csekély emberek a csillagok fényében gyönyörködjünk és mozgásukat tanulmányozhassuk." Huygens műveiben még arról is olvashatunk, hogy az egyes bolygók felszínéről a Föld és a többi bolygó hogyan látható. Hollandiában, 66 éves korában halt meg; műveit 22 kötetben kiadták, tárgyi emlékeit, kéziratait a leydeni tudománytörténeti múzeum őrzi.
Érdekesség, hogy amikor Huygens pártfogója, XIV. Lajos király 1715. szeptember 1-jén, éjfél után 2 óra 21 perckor meghalt, a király ágya körül tolongók riadtan állapították meg, hogy a halál pillanatában a kandallón ketyegő Huygensféle szép óra - rögzítve a király halálának időpontját - megállt.
Felhasznált irodalom
Landes, David S.: Revolution in time: clocks and the making of the modern world. Belkapm Press, Cambridge, 1983
Newton, Roger G.: Galileos pendulum: from the rhythm of time to the making of matter. Harvard University Press, 2004
Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete. Gondolat, 1986