ショート・シンクロノーム時計

ショート・シンクロノーム自由振り子時計は、 1921 年にイギリスの鉄道技師ウィリアム・ハミルトン・ショートが時計職人フランク・ホープ＝ジョーンズと共同で発明し、ロンドンのシンクロノーム社が製造した、複雑で精密な電気 機械式振り子時計です。^{[ 1 ] [ 2 ]} これらは、これまで市販された振り子時計の中で最も正確で、^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} 1920 年代から 1940 年代にかけて、計時の最高基準となりました。 ^{[ 7 ]}その後、機械式時計はクォーツ時計に取って代わられました。これらは、天文台、海軍天文台、科学研究、および国家時刻配信サービスの主要基準として世界中で使用されました。ショートは、地球自体よりも正確な計時を行う最初の時計でした。 1926年に地球の自転速度のわずかな季節変化を検出するために使用されました。^{[ 3 ] [ 7 ] [ 8 ]} ショート時計は年間約1秒の精度を達成しましたが、^{[ 3 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}最近の測定ではさらに精度が高いことが示されています。1922年から1956年の間に約100個が製造されました。^{[ 10 ] [ 12 ]}

ショート時計は2つの振り子で時間を刻んでいた。1つは真空タンク内で揺れる主振り子、もう1つは別の時計に設置された副振り子で、電気機械的な手段で主振り子と同期されていた。副振り子は時計の計時機構に取り付けられていたため、主振り子は外部からの干渉をほとんど受けなかった。

ショート時計は、2 つの独立したユニットで構成されています。1 つは壁に取り付けられた直径26 cm、高さ 125 cmの銅製真空タンク内の主振り子、 ^{[ 13 ]}および数フィート離れた場所に設置された、それにロックされた精密振り子時計です。振り子間の結合の可能性を一切排除するため、2 つのユニットは、異なる部屋に遠く離れて設置されるか、または 2 つの振り子の揺れる面が 90 度離れるように配置されました。二次時計は、標準的なシンクロノーム精密レギュレーター時計の改良版でした。2 つのコンポーネントは、2 つの振り子が同期して揺れ続けるように機構内の電磁石を動作させる電気パルスを伝送するワイヤーで接続されていました。主振り子のロッドと14 ポンド (6.4 kg)の重りは、振り子の熱膨張と収縮を低減するために、インバー合金で作られました。これにより、温度変化による振り子の周期の変動が抑制されます。残留熱膨張率は、重りの下の金属インサートによってゼロに補償されました。真空タンクは、手動ポンプで約30 mmHg (40 hPa ) ^{[ 14 ]}の圧力まで排気され、大気圧の変化が振り子の速度に影響するのを防ぎ、また振り子にかかる空気抵抗を大幅に低減し、 Q 係数を25,000 から 110,000 ^{[ 15 ]}に増加させ、精度を 4 倍に向上させた。Shortt による実験では、30 mmHg ではサスペンション スプリングの屈曲によって消費されるエネルギーが残留空気分子の偏向によって消費されるエネルギーとちょうど等しくなり、したがってより高い真空度は必要ないことが示された。^{[ 14 ]}      

どちらの振り子も秒振り子で、長さは約1メートル（39インチ）、周期は2 秒でした。主振り子の1回の振り子周期は正確に1秒で、副振り子の周期はそれよりほんのわずかに長くなっていました。振り子は30秒ごとに機構から押されて揺れ続けました。副振り子には2つの時計盤があり、それぞれの振り子の時刻を表示して同期を確認できるようになっていました。また、1Hzのタイミング信号を生成する電気端子も備えていました。これらの端子に配線を接続することで、時計の超高精度な時刻信号を他の都市の時計に送信したり、ラジオで放送したりすることができました。 

摩擦のない真空中で一定の振幅で外部からの擾乱を受けずに揺れる振り子は、理論的には完璧な時間を刻みます。^{[ 2 ]} しかし、時計の振り子は時計の機構に連結する必要があり、それが振り子の自然な揺れを妨げ、これが20世紀初頭の精密時計の誤差の主な原因でした。通常の時計の機構は、振り子が揺れるたびに2つの機能を実行します。まず、振り子は時間の経過を記録するために何らかの連結機構を作動させる必要があります。次に、連結機構によって作動する時計の機構は、振り子が摩擦によって失うエネルギーを補うために振り子に押し（インパルス）を与え、振り子が揺れ続けるようにする必要があります。これら2つの機能はどちらも振り子の動きを妨げます。

ショート時計の利点は、第一に、振り子に正確に30秒ごとに1回（振り子が30回振れるごと）だけ衝撃を与えることで、衝撃による主振り子の乱れを軽減したこと、第二に、衝撃機構自体から二次時計を制御する（そして時間の経過を記録する）ために必要な正確なタイミング信号を生成することで、主振り子との他のすべての相互作用を排除し、振り子が干渉を受けずに「自由に」振れるようにしたことです。

主振り子と副振り子はフィードバックループで連結されており、副振り子が主振り子と同期するように維持されていた。^{[ 1 ] [ 14 ]}副振り子時計には、振り子に取り付けられた爪によって右振り子が振れるたびに前進する15歯の歯車を使用した機械式脱進機が備わっていた。 

15回の振動（30 秒）ごとに、この脱進機は重力レバーを解放し、二次振り子を押しました。二次振り子が落下すると、その重力レバーがスイッチを閉じ、電磁石が作動して二次振り子の重力レバーをリセット（上昇）すると同時に、一次ユニット内の電磁石に電流パルスを送り、二次振り子の重力レバーを解放して一次振り子を押しました。

主振り子への衝撃は、主振り子に取り付けられた車輪から転がり落ちる主振り子の重力レバー（レモントワール として機能）の重さによってもたらされ、この機構により、主振り子は30秒ごとに主振り子の重力レバーからほぼ同じストロークの同じ位置で、同一の機械的衝撃を受けることが保証された。

落下する主振り子の重力レバーが第２の電気回路の接点を閉じ、レバーをリセットするとともに、二次ユニットのヒットアンドミス同期装置に電気パルスを供給した。二次ユニットによって開始されるサイクルの開始時刻は３０秒ごとにごくわずかに変動する可能性があったが、リセットおよび同期動作（主時計の重力アームアセンブリの宝石が振り子のホイールから転がり落ちた瞬間にのみ有効となる）は主振り子の位置に固定されており、「自由」（主）振り子から得られる正確な時刻を表していた。

1928年、アメリカの発明家アルフレッド・リー・ルーミスはフランク・ホープ＝ジョーンズの工房を訪れ、ほぼ完成した6番目の 時計を見せられた。ルーミスは価格が240ポンド（2024年の18,000ポンドに相当）だと知らされた後、^{[ 17 ]} 3つの時計を注文し、最初の時計の代金を前払いしてホープ＝ジョーンズを驚かせた。3つの時計はすべてニューヨーク州タキシードパークにあるルーミス研究所に設置された。^{[ 18 ]}

1984年、ピエール・ブシェロンは、米国海軍天文台に展示されていた稼働中のショート時計の精度を研究した。^{[ 3 ] [ 19 ]} 彼は、振り子を乱すことなく正確な通過時間を検出する最新の光学センサーを使用して、1か月間その速度を原子時計と比較した。彼は、1日あたり200マイクロ秒（2.31 ppb ）の安定性があることを発見した。これは12年間で1秒の誤差率に相当し、以前に測定された1年あたり1秒よりもはるかに正確である。彼のデータは、この時計が非常に敏感で、太陽と月の重力によって引き起こされる固体地球の潮汐歪みによる重力のわずかな変化を検出できることを明らかにした。 ^{[ 20 ]}    

• マスタークロック
• 振り子時計

• ホープ＝ジョーンズ、フランク（1940）。電気式時間計測。ロンドン：NAG Press。
• マイルズ、RH（2019）。シンクロノーム - 電気式時間計測の達人。ロンドン：AHS。ISBN 978-0901180551