Kellade arengulugu

Tiit Tiidemann
01.08.2019

Ürginimesel polnud vajadust sekundite mõõtmiseks. Talle piisas mõistetest hommik, keskpäev, õhtu, öö. Meilgi piisab igapäevaelus minuti (või puhkusel olles ka 5 minuti) täpsusest. Kuid igal juhul vajame tänapäeval kõik kellaaja teadmist. Ja kelli kui ajamasinaid, mis aega mõõdavad.

Aastatuhandeid piisas meile enam-vähem öö ja päeva mõistest. Siis äkki hakkas seda väheks jääma. Meie jaoks aina kiirenevas ajas oleme jõudnud olukorda, kus tehnika arvutiljuhtimisel ja kosmoseprotsesside käitamisel on täpsuseks murdosa sekundist. Kuidas me selleni jõudsime, kuhu me sellega jõuame?

 

Päikesekell

Esimesi kalendreid koostasid egiptlased 4. aastatuhandel eKr. Neil oli aastas 365 päeva, 12 30-päevast kuud ja 5 lisapäeva pidupäevana aasta lõpus. Roomlased lisasid iga nelja aasta järel lisapäeva. Juba vana-Egiptuses jagati ööpäev kaheks 12-tunniseks osaks, nii nagu USAs arvestatakse aega senini – keskööst keskpäevani (AM) ja järgnevalt keskpäevast keskööni (PM). Tunni väiksemad jaotused 60 minutiks ja 60 sekundiks tulevad muistses Babüloonias, õigemini juba muistses Sumeris valitsenud kuuekümnendsüsteemist. Kuuekümnendsüsteem oli kasutusel eelkõige tänu matemaatikale ja astronoomiale ja juba nii vara kui 3500 eKr.

Esimeseks ajamõõtjaks sai päikesekell, kus jälgiti varju asendit ja pikkust. Põhjanaelale suunatud osuti andis kohalikku täpset aega aastaringselt. Edasiseks täiustuseks oli kaldne sihverplaat, et õhtuti kella täpsust tõsta. Mehhanismi seisukohalt oli päikesekell kui ajanäitaja peaaegu ideaalne süsteem – ta ei nõudnud energiat, koostiselemente oli vähe, päike kui ressurss toimetas kõik. Puuduseks oli mittetoimivus öise aja ja pilves ilmaga ning ruumisisese kasutuse võimatus.

 

Veekell

Paremini kasutatav oli veekell. Tunti juba Egiptuses 1500 aastat eKr, kuid levisid laiemalt Rooma riigis. Mõõdeti nii lühemaid kui pikemaid ajavahemikke. Näiteks kohtus pidid mõlemad osapooled saama võrdse aja ja Rooma senatis kasutati neid kõneaja mõõtmiseks, mis seal oli algul piiratud 6 minutiga. Jõukamates kodudes olid ööpäevased veekellad.

Veekell töötas pea paar tuhat aastat üpris muutmatul kujul. Ülemisest anumast voolas vesi väikese ava kaudu alumisse. Vee taset jälgiti jaotiste järgi anuma seinal, näidu loetavuse huvides ujus vee peal sageli ujuk. Puuduseks oli lihtsamatel veekelladel, et veetaseme alanedes surve veesambas vähenes ja seega vähenes ka väljavoolu kiirus. Skaalajaotised polnud enam ühtlased, või siis tuli skaala vastavalt uuesti luua. Seda jaotuste ebaühtlust vähendas koonus-koonuses konstruktsioon ehk teisisõnu anuma kuju kooskõlastati väljavoolava vee kiirusega. See edasiarendus toimus Aleksandrias 3. sajandil eKr.

Et saada pöördliikumisega näitu skaalal, nagu nüüd oleme harjunud nägema, võeti kasutusele ujuk koos selle külge kinnitatud püstise hammaslatiga, latt omakorda haakus eraldi hammasrattaga. Viimasele oli kinnitatud osuti. Veepinna tõustes hammaslatt kerkis ja pööras hammasratast koos seieriga. See oli silmapaistev tehnilise süsteemi arendus. Kas väljend aja voolamisest on pärit ehk veekellade ajast?

Originaalse lahenduse leidsid hindud ja hiinlased, kasutades inversiooniprintsiipi. Vee väljavoolamise asemel kasutasid nad vee sissevoolamist basseini ujuma pandud poolkerakujulisse anumasse, peene ava kaudu anuma alt. Vanimad sellised on 2500 aastat vanad.

 

Liivakell

Liivakellas voolas sõre peen liiv ülemisest klaasanumast läbi keskmise kitsuse alla alumisse. Oli ilmselt tuntud Aasias juba eKr, kuid neid mainitakse kirjasõnas alles 1339. aastal. Arengut takistas kaua madal tehnika arengutase ehk läbipaistva klaasi puudumine. Klaaskorpusega kellas oli liivajooksu jälgimine veekella omast mugavam ja ajanäitaja oli päikesekellast täpsem.

Liivakelli tehti ajavahemikele mõnest minutist kuni 12 tunnini. Töötati välja tüüpvariandid. Näiteks laevadele tehti neljatunniseid kelli vahikorra pikkuse ning 30sekundilisi laeva kiiruse määramiseks.

Liivakell on senini kasutusel, eriti siis, kui on tähtis aja näitlikustamine. Lapsed jälgivad neid huviga.

 

Mehaanilised pommikellad

Kui ilmus kellapomm – mehhanism genereerimaks omavõnkeid raskusjõu toimel–, oli see ajalises arengus juba neljas tüüp kelli. Oletatakse munk Herbert Orillakise, hilisema paavsti Silvester II (950 – 1003) autorsust. Jõud kella käitamiseks tuleb vabalt rippuvalt kellapommilt. Käigumehhanism on mehaanilise kella keskne osa. Käigu kiirust reguleerivaks seadmeks oli varastes käigumehhanismides viltuste hammastega kroonratas ja seda sammhaaval pöörelda lubav võnkuv spindel. Niisuguse kella käigu kiirus oli siiski ebaühtlane.

Esimesed kirikukellad olid sihverplaadita ja aega teadustas vaid kellalöökide arv. Tegu oli bi- ehk kahendsüsteemiga, kus ühe süsteemi – kella löökide – järgi saadi teada teisest süsteemist – ajast. Nii oli see teadaolevalt Püha Markuse kirikus Veneetsias 1497, sellest kirjutab Dante Aligieri, kuid sellised kellad ise olid palju varasemad. Hiljem lisandusid kellamängud – lausmuusika.

Esimeseks näiduga tornikellaks sai Westminster Abbey kell 1288, mis avas laialdase mehhaaniliste tornikellade arengutee. Esialgu oli neil üks osuti ja kolm hammasratast. See oli minimaalne vajalik funktsioneeriv kooslus. Minutiosuti lisamiseks oli vaja veel hammasrattapaari – süsteemi arendust. Vanim säilinud mehaaniline tornikell on Salisbury katedraalis, ehitatud arvatavasti 1386. aastal.

Seoses metallide tehnoloogia arenguga 14.-15. sajandil osutus võimalikuks teha juba kompaktseid põranda- ja seinakelli jõukamate kodudesse. Pomme oli vaja üles tõmmata iga 12 tunni järgi. Kell võis algul ööpäevas eksida pool tundi kuni tund ja vajas seepärast sagedast seadistamist. Nendes lahendustes kinnituvad tehniliste süsteemide arengutendentsid: tehnilise süsteemi miniaturiseerimine ja odavnemine.

 

Pendelkellad

16. juunil 1657 patenteeriti pendelkell. Leiutise autor oli Madalmaade füüsik, astronoom ja matemaatik Christian Huygens. Huygensil tekkis pendelkella idee, kui ta uuris Galileo töid. Galileo oli nimelt avastanud pendli isokroonsuse: pendli kõikumisperiood ei sõltu pendli kujust ja kaalust, vaid pikkusest. Lisaks oli inglise kellasepp William Clement 1671.a. välja mõelnud ankurdamisega pendlimehhanismi. Varaste käigumehhanismide viltuste hammastega kroonratas ja võnkuv spindel asendus nüüd tasapinnalise ankrurattaga. Ratta sammumise tagab pendliga koos võnkuv ankur, mis lubab ankrurattal pendli iga võnkega pöörduda kahe hamba võrra. Igal pendli võnkel annab ankruratas ankru vahendusel igal sammul pendlile täiendava impulsi, et pendli võnkumine ei lakkaks. Ankruratast ennast paneb hammasrataste süsteemi abil pöörlema kas langev raskus või üleskeeratud vedru. Sobiva ülekandesuhtega hammasrattad liigutavad ka osuteid. Pendli pikkuse ehk raskuskeskme asukoha muutmisega saab reguleerida kella käiku ehk täpsust.

Huygens arendas neid ideid edasi ja tal õnnestus suurendada kellade täpsust nii palju, et 15 minuti asemel eksisid need ehk kõige rohkem 15 sekundit päevas. Pendelkell oli sellest ajast alates kõige täpsem kellamehhanism kuni 1930-ndate aastateni.

Pendelkella puuduseks oli, et kell pidi olema rangelt vertikaalne ja ei töötanud teisaldamise ajal. See püsis nii kuni vedruajami kasutuselevõtuni.

Kuni talupojad tõusid päikesetõusuga ja läksid magama loojanguga, huvitas kell neid vähe. Töölised ärkasid ja läksid tööle vabrikuvilede peale. Rikkad aga soovisid uhkeldamiseks kaunistatud käsitöökelli ja nii need kaminakellad ja käokellad tulid. 19. saj lõpust, 20nda algusest seati sisse kellade seeriatootmine.

 

Vedrukellad

Esmased katsed vedrukäitamisest tehti 15. sajandil. Energia saadi üleskeeratud spiraalvedrult, mis kinnitus hammasrataste ja võnkeregulaatori kaudu ühest otsast keretrumli, teisest seierivõlli külge. Sellise kella mõõde oli esialgu lausa poolemeetriline. Kulus kaks sajandit, kuni inglane Robert Hooke (kelle juures töötas ka W. Clement) ja hollandlane Christian Huygens leiutasid balanssiirmehhanismi, kus balansiirratas võngub perioodiliselt tasakaaluasendi suhtes nagu pendelgi. Ankru edasi-tagasiliikumine võimaldab ankrurattal teha iga võnkeperioodi kestel sammupaari. Nagu pendelkellaski, antakse balanssiirrattale igal sammul ankrurattalt ankru vahendusel täiendav liikumisimpulss, mis tagab, et balanssiirratta võnkumine ei sumbu hõõrdumise tõttu. Balanssiirratta võnkeperiood on määratud ratta inertsimomendi ja ratast tasakaaluasendisse viiva spiraalvedru pingega. Kella käiku reguleeritakse spiraalvedru pikkuse muutmisega.

Vedru tarvituselevõtuga toimus energiasüsteemi vahetus, mis võimaldas edasiselt vähendada kella mõõtmeid. Avaldus jälle kaks tehnilise süsteemi arengutendentsi: miniaturiseerimine ja tüüpmõõtmete kasutuselevõtt.

Ilmusid ka mitme sihverplaadiga tornikellad – polüsüsteem. Suur läbimurre tuli, kui kella sai taskukellana kaasa võtta. 16. sajandist kandsid uurid „Nürnbergi muna“ nime ja ilmusid sajandeid ikka unikaalsete meistritöödena. Sellistena olid nad üpris kallid. Alles 19. sajandil said nad laiema leviku osaliseks.

Ka kelladega seotud rõivais ja aksessuaarides toimus muudatusi – ilmusid spetsiaalsed kellataskud ja uuriketid.

Hõõrdekadude vähendamiseks pakkus kellasepp George Graham 1704. teha kellade laagrid vääriskividest – rubiinidest. Need kestsid hästi, täpsus säilus kaua. Rubiin aitas ka ankruelemente töökindlamaks teha. Oluline oli ka kelladele õlitussüvendite tegemine ja eriõli. See aga tõi kaasa hooldus- ja määrdevahetuse vajaduse. 1902 tulid tehisteemandid, mille eeliseks oli looduslike pragude puudumine. Kokku kasutati kellas 15 kuni 21 kivi. Viletsa kella kohta öeldi, et puudub kaks kivi: üks aluseks ja teine peale virutamiseks.

Edasiarenguks oli uurile kaane lisamine. Mõnikord lisati ka teine kaan, mille all oli kallima pilt.

Jõudis kätte aeg, kus sõjavägi nõudis kooskõlastatud tegutsemise huvides kelli. USA relvatootja Colti eeskujul hakati kellatööstuses kasutama detailide vahetatavust ja autotootja Fordi näitel konveierkoostamist. Varsti ka Šveitsis, millest sai üleilmse kuulsusega kellatööstuse keskus. Seeriatööstusele üleminek on tehnilise süsteemi seaduspärane areng.

 

Käekellad

Olid naiste uhkuseasjad alates1571. aastast, kui keisrinna Jelizavetale kingiti taoline käevõru. Kell oli kallihinnalise käevõru lisand. Mehed lugesid esialgu mehisemaks kanda uure. Inglise sõjaväelased võtsid 1885 kasutusele käerihmad, mis mahutasid uure. Siit arenes välja tänapäeva randmerihmaga käekella konstruktsioon. Ka sihverplaadile tulid mitme skaalaga bi- ja polüsüsteemid, lisandusid veekindlad, kalendriga varustatud, äratusega, kalkulaatoriga käekellad. Pimedas kasutamist hõlbustas luminofoor. Sekundiosuti lisandudes tehti see paremaks jälgimiseks teistest osutitest erinev. Kellaklaaside kriimustumise vältimiseks hakati kasutama safiirklaase.

Kell kui ideaalne süsteem on nagu Tootsi kell, mis ei lase end üles keerata, kuid ei jää ka kunagi seisma. Pealegi näitab kaks korda ööpäevas õiget aega. 1770.a. töötas Šveitsi kellasepp Abraham Louis Perellet välja end ise üleskeerava kella, mis sisaldas ekstsentrikut kui abisüsteemi, mis inimese käe liikudes keeraski vedru üles.

Elektromehaanilistes kellades võetakse ostsillaatori (pendel või balanssiir) võnkumiseks ja osutite liigutamiseks vajalik energia kas vooluvõrgust või patareidest. Patareide masskasutamine tuli aga juba koos kvartskelladega. Patarei võib laaduda ka päikeseenergiast, kui kasutada fotoelemente.

Worren Morrison Bell Telefon Laboratories’st märkas, et kvartsplaadid võnguvad piesoelektriväljas ühe kindla sagedusega. Neid kasutades sai koostada senistest täpsema kella – kvartskella, täpsusega ± sekund ööpäevas. Idee siiski unustati 30 aastaks, kuni koos arvutitehnika kui ülemsüsteemi arenguga läks asi taas hoogsalt käima. 1980ndatel hakkasid kvartskellad mehaanilisi välja tõrjuma.

Uus võimalus oli sihverplaadi asendamine numbernäiduga. See ei läinud küll hästi peale käekellades, küll aga näiteks avalikes kellades, jaamades, sageli ühendatuna infotablooga bi-süsteemi. 1970ndail ilmus töökindel vedelkristalliline displei, mida algul levitas Radio Corporation of America. See oli ressurss edasiminekuks dünaamilisuse ja juhitavuse suurendamiseks. Programmjuhtimine on elektronkellades ja tabloodes võrreldes mehaanilisega lihtsam. Käesoleval ajal väheneb vähemalt esialgu vajadus traditsiooniliste käekellade järgi, kuna aega saab alati teada mobiiltelefonilt.

 

Kõikvõimalikud ajanäitajad ja ajajuhtijad

Soovitud äratusajaga äratuskellade väljatöötamine kestis sadu aastaid. Oli mitmeid süsteeme äratuskelli. Vanim oli veekell, kus mehaaniline linnuke või vile häälitses, kui vee tase saavutas ettenähtud kõrguse. Nüüd äratab sind vajadusel kell-raadio, näidates aega displeil. Nagu ka mobiiltelefon.

Malekell on bi-süsteem kahest sekundikellast. Lünetiga kell on pöördringiga sihverplaadi ümber, et sellega panna peale tegevuse ajapiirang. Näiteks tuukrile piirava märguande andmiseks vee all viibimisel. On seatavad vaid ühes suunas, sest juhuslik tagasipööramine oleks ohtlik. Sekundomeer ehk stopper on vajalik spordis, aga tagurpidi sekundeid arvestavat kella kasutatakse lõhkelaengu lõhkamisel. Või kosmoselaeva stardil.

Kronomeetrite kui meresõidus vajalike täppiskellade abifunktsiooni – laiuskraadi määramise – vajadus on kadunud. Kvartskell ja raadiosignaal asendavad seda täppiskella.

Elektroonilistel kelladel on tööks vajalikuks perioodiliseks protsessiks elektrivoolu ja pinge võnkumine võnkeringis ning aega mõõdetakse võngete loendamisega. Kella generaator stabiliseeritakse kvartsresonaatoriga. Elektronkella näidik võib olla kas numbriline või on sel samm-mootoriga liigutatavad osutid.

Aatomkellad on ülitäpsuskellad teadustööks. Need kellad on kasutatavad ka kosmoserakettide jms juhtimiseks. Neis kasutatakse tööks molekulide ja aatomite omavõnkesagedusi. Eksimine on vaid sekundi võrra 30 miljoni aasta jooksul.

 

Kuidas edasi?

Aja jälgimise ja mõõtmise roll aina kasvab. Teame ju kõik, et aega pole… Kell on arvutis ja mobiilis, raadios ja teleris. Kella ja olmetehnika ühendus polüsüsteemi on tänane päev – ajamõõtja ühendatult elektripliidi, mikrolaineahju või pesumasinaga juhib nende tööd. Kell on olemas igas autos ja teed juhatavas navigaatoris. Osaleb lennujaama teadetetablool rea kellade polüsüsteemina, näitamaks lendude saabumisaega sihtpunktis. Kellad koos fotoaparaadi ja videokaameraga fikseerivad liiklusrikkumisi.

Targad kellad (Smart Watch) on pigem internetiga seotud miniarvutid kui lisafunktsioonidega kellad. Seega kellad nihkuvad teiste süsteemide ülemsüsteemi ja saavad nende osaks.

Leiutava probleemilahenduse teooria TIPS (Theory of Inventive Problem Solvings, varem rohkem tuntud kui TRIZ) sõnastabki, et tootearenduses ja leiundustegevuses tuleb püüelda ideaalse masina poole. Ideaalseim on masin, mida pole, aga mille funktsiooni täidetakse. Eks kell juhib meid ja protsesse rohkem kui varem, kuigi kelli polegi nagu enam tihti nähtaval.

Artikli märksõnad: 

Sarnased artiklid