Was bringt eine Uhr zum Schlagen?

Die ersten Uhren

Am Anfang war die Neugierde des Menschen Sterne, Sonne und Mond zu beobachten. Dabei wurde schon vor der Antike festgestellt, dass der Verlauf der Erdbewegung, die Stellung der Erde zur Sonne und Mond in engem Zusammenhang mit Jahreszeiten und Tages- sowie Nachtzeit stand. Vor mehr als 5.000 Jahren wurde die Sonnen- und Wasseruhr genutzt. Jeder hat schon eine Sonnenuhr gesehen. Eine runde Scheibe und darauf eine Spitze, die nach Norden zeigt. Auf der Scheibe ist eine Skala eingezeichnet. Die Sonne bei Drehung der Erde um sich selbst und um die Sonne markiert mit Licht- und Schattenstand die Uhrzeit. Die Zeitangabe ist sehr vage und funktioniert nur bei Sonnenschein, also bei schönem Wetter und bei Tag.  Daher wurde die Wasseruhr erfunden, weil  bei jedem Wetter und auch bei Dunkelheit die Zeitangabe ablesbar war. Die erste Wasseruhr war sehr einfach, aus einer kleinen Öffnung eines mit Wasser gefüllten Gefäßes lief das Wasser heraus und am Wasserstand innerhalb dieses Gefäßes las man die Zeit ab bzw. wenn die Zeit durch völliges Auslaufen des Wassers, abgelaufen war. Eine andere  einfache Art der Wasseruhr ist ein leeres Gefäß mit einer Öffnung unten in einen mit Wasser gefüllten Trog zu stellen.  Das Wasser drang langsam in das Gefäß bis das Gefäß schließlich unterging und die Zeit abgelaufen war.  Eine schwierigere Variante einer Wasseruhr ist die Form eines stumpfen Kegels mit einer kleinen Öffnung am Boden sowie angebrachten Stundenmarkierungen in gleichem Abstand an der Gefäßinnenwand. Die Form des Gefäßes bedingt ein gleichmäßiges Ausfließen des Wassers. Die umfangreichen Kenntnisse der Menschen in Geometrie in der Antike ca. vor 3.400 Jahren ließen eine Wasseruhr mit innenliegender Parabel vierten Grades entstehen. Das Ausfließen des Wassers wurde noch gleichmäßiger und die Zeitangabe dieser Wasseruhr war sehr genau. Hingegen bei Wasseruhren mit geraden Wänden war der obere Durchmesser des Gefäßes größer als der untere, floss das Wasser nicht kontinuierlich gleichmäßig aus bis zum Schluss, d.h. die Uhr ging bei geringem Wasserspiegel nach. Man unterscheidet also zwei Formen der Wasseruhr die Einlauf- und die Auslaufuhr. Bei der Auslaufuhr wurde die abgelaufene Zeit sichtbar anhand von Markierungen an der Gefäßinnenwand und dem absinkenden Wasserspiegel. Bei der Einlaufuhr erfolgte die Zeitangabe durch einlaufen von Wasser in ein leeres Gefäß. Der Wasserstand in diesem Gefäß oder das Versinken des Gefäßes,  zählte die Stunden. Die Wasseruhren wurden im Laufe der Zeit weiterentwickelt und verfeinert. So wurden bestimmte Mechanismen angebracht, die Figuren bewegten.  Auch konnte der Zeitablauf durch auf Gongs fallende Kugeln nach jeder abgelaufenen Stunde, hörbar gemacht werden. Die höchste und letzte Entwicklung vor etwa  1.000 Jahren war eine automatisierte Wasseruhr, ausgestattet mit Räderwerk, Figuren, die Zeit ablesbaren Täfelchen und Gongs für jede abgelaufene Stunde. Zum Antrieb dieses perfekten Mechanismus wurde nur fließendes Wasser verwendet, die Uhr mithilfe einer Arretierung ähnlich einer Wassermühle funktionierte.

Neben Wasser-, Schatten- und Sonnenuhren wurden im 13. Jahrhundert also im Mittelalter die Quecksilberuhren genutzt. Die Quecksilberuhr war der Vorläufer der mechanischen Uhr und besaß somit wesentliche mechanische Merkmale. Gewichte trieben eine mit Quecksilber gefüllte Trommel an. In die sich drehende Trommel waren perforierte Bleche eingesetzt, sodass das zähe Quecksilber von einer Kammer in die nächste floss und die Drehbewegung der Trommel abbremste. Durch mechanische Hemmung wurde erreicht, dass die Trommel in 24 Stunden sich um sich selbst drehte und die Zeit konnte auf einer Skala abgelesen werden. Die menschliche Erfindungsgabe besonders was Uhren betrifft, ist unübertroffen. Erwähnenswert sind noch Feuer- und Kerzenuhren sowie Astrolabien. Das grundlegende Prinzip ist einfach an einer Kerzenuhr zu verdeutlichen. Eine Kerze in einem Ständer brennt herunter und der Stand der Flamme bezeichnet den Punkt und die Zeit auf einer Skala.

 

Mechanische Uhren als präzise Nachfolger

Die älteste mechanische Uhr, die komplett mit Originalteilen erhalten blieb ist von 1386 und steht in der Salisbury-Kathedrale in Wittshire, England. Die ersten Uhrmacher mechanischer Uhren waren christliche Mönche. Christliche Klöster und Schulen benötigten Uhren wegen strenger Arbeitspläne und Gebetszeiten. Die Basis-Bestandteile einer mechanischen Uhr sind Antriebsvorrichtung z.B. Gewichtszug bei stehenden Uhren oder Federwerk bei mobilen Uhren, Räderwerk meist ein Zahnradgetriebe, Anzeigevorrichtung meist ein Zifferblatt mit Zeigern oder Springzahlen mit ruhender, rückführender oder freier Hemmung. Die Gangregelung erfolgt durch Unruh (ineinander greifende Zahnräder), Kugelumlauf, Pendel oder Drehpendel. Im Mittelalter war man noch nicht in der Lage, mobile Uhren herzustellen. Mit Erfindung des Federantriebes im 15. Jahrhundert wurden mobile Uhren möglich, zunächst als Taschenuhr, die man an einer Kette befestigt in der Tasche trug, um die Taille oder um den Hals.  Etwa 1640 erfand Galileo Galilei das mechanische Pendel als Taktgeber einer Uhr. Bei Bewegung des Pendels wird die Zeitangabe weitergeschaltet. Im Innern der Pendel-Räderuhr  befindet sich u.a. das Steigrad, das durch Bewegung des Pendels und ein oben am Pendel fixierter Anker durch Rechts-Links-Bewegung schrittweise angetrieben wird, damit verbunden ist das Zählwerk, das im Tempo der Pendelbewegung die Uhrzeiger bewegt.  In Gang gehalten wird die Uhr durch herunterziehen von Gewichten oder aufziehen der Uhr über den Federantrieb.

Eine besondere Form einer genau gehenden Pendeluhr ist der Regulateur oder Regulator in Kastengehäuse mit einer Glastüre.  Der Präzisionsregulator hat ein kompensiertes Pendel (baulicher Ausgleich von störenden Umwelteinflüssen für die Genauigkeit der Uhr) wurde bis in die sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts als offizielle Zeitbestimmung und für wissenschaftliche Zwecke eingesetzt, wegen ihrer geringen Gangabweichung  von weniger als einer Sekunde pro Monat.

Im Laufe der Jahre wurden die Pendel-Uhrwerke immer komplexer ebenso der Antrieb. Heute verfügen Pendeluhren über mechanische Uhrwerke, Quarz- oder Funk-Quarz-Werke. Auch die Funktion oder Kraftübersetzung des Pendels ist weitaus komplexer geworden. Neben der optischen Anzeige der Zeit verfügen Uhren auch über eine akustische Klanggebung zu einer festgelegten Zeit, dies nennt man Schlagwerk. Das Schlagwerk bei Räderuhren, also bei mechanischen Uhren ist ein gesondertes Rädersystem und wird auch gesondert aufgezogen. Die Schlagabfolge hängt allerdings mit dem Zählwerk und der Skala zusammen. Die Synchronisation zwischen Schlag-, Geh-/Zählwerk geht verloren, wenn ungleichmäßig aufgezogen wird oder die Zeiger zum Schlagwerk asynchron bewegt werden.  Je komplizierter die zeitliche Abfolge der Schläge und Melodien, umso mehr Räder werden benötigt. Um einen Ton in der Uhr zu erzeugen, wird mindestens ein Klangkörper benötigt sowie ein elastischer Hammer auf einem Rad, das sich dreht.  In zeitlicher Abfolge schlägt der Hammer auf den Klangkörper, das Rad bewegt sich weiter und der Hammer schnellt zurück.  Dies ist nur eine prinzipielle Darstellung eines einfachen Schlagwerkes.

Der Zweck und die weitere Miniaturisierung der Uhrwerke ließ die Armbanduhr  entstehen. Anfang des 20. Jahrhunderts zu Beginn der Fliegerei und erste Atlantiküberquerungen, verhalfen der Armbanduhr zum Durchbruch. Neben dem mechanischen Uhrwerk erfand John Harwood die Automatik-Uhr, die nicht mehr mithilfe einer Krone über eine Feder aufgezogen wurde, sondern durch schwenken des Handgelenks. Wasserdichte Uhren wurden 1926 erfunden von Hans Hilsdorf und die Stoßsicherung der Uhr erfolgte ebenfalls Anfang des 20. Jahrhunderts.

 

Die Atomuhr, eine noch genauere Zeit

Im Jahre 1949 wurde die Atomuhr entwickelt und bis heute sind die Atomuhren die genauesten Uhren. Die Atomuhr wird wegen ihrer Genauigkeit und wenig Zeitverlust Primär-Uhr genannt. Alltägliche Armbanduhren haben eine fortschreitende Abweichung zur tatsächlichen Zeit von etwa einer Sekunde pro Tag. Die ursprüngliche Atomuhr sollte nach Schätzung eine Abweichung von einer Sekunde in einer Million Jahre aufweisen. Die neueste Entwicklung einer Atomuhr soll nur eine Abweichung von einer Sekunde in 140 Milliarden Jahren aufweisen. Somit liefern Atomuhren die Richtwerte für die weltweite Zeitangabe. Prinzipiell ist eine Atomuhr eine ganz normale Uhr. Sie verfügt über einen Taktgeber und ein Zählwerk. Bei herkömmlichen Groß- oder Heimuhren übernimmt das Pendel oder die Unruh die Funktion des Taktgebers, bei einer Atomuhr sind es Cäsium-Atome. Innerhalb der Atomuhr werden Cäsium-Atome verdampft und zu einem Atomstrahl gebündelt, der auf ein integriertes Magnetfeld trifft.  Der in der Atomuhr befindliche Resonator, Frequenzumwandler steuert die Frequenz von eingespeisten Mikrowellen, die eine Zustandsveränderung des Cäsium-Atomstrahls bewirken sollen. Das Zählwerk zählt die Zustandsveränderungen des Cäsium-Atomstrahls. Cäsium-Atome, die ihren Zustand nicht geändert haben, werden von einem zweiten Magnetfeld vom Zählwerk abgelenkt. Die gezählten Zustandsveränderungen der Cäsium-Atome sind die Zeitangabe. Die Schwingungen bzw. Zustandsveränderungen werden in Hertz/Hz gemessen wobei bei 9.192.631.770 Hz eine Sekunde vergangen ist. Allgemein kann man sagen, dass Uhren die Zeit umso genauer angeben, wenn die Schwingungen ihres Taktgebers konstant sind. Kleinformatige Atomuhren, die unwesentlich ungenauer sind, befinden sich in Satelliten und Navigationssatelliten. Durch Abgleich der internationalen Atomzeit (TAI) und der astronomischen Zeit (UT1) erhält man die koordinierte Weltzeit (UTC). Die mitteleuropäischen Funkuhren erhalten das UTC-Zeitsignal über den in Deutschland stationierten Sender DCF77.

Die Quarzuhr soll hier auch nur prinzipiell erläutert werden. Der Antrieb der Quarzuhr erfolgt elektrisch über Stromanschluss, Batterie oder Akkumulator. Die Quarzuhr verfügt wie mechanische oder automatische Uhren über eine Skala (analog) oder digitale Anzeige, über ein Zählwerk und einen Taktgeber. Der Taktgeber bei einer mechanischen Uhr ist zumeist die Unruh, dessen Frequenz-Höhe die Genauigkeit der Zeitmessung einer Uhr u.a. bewirkt, also je kürzer und höher die Frequenz, umso genauer die Zeitmessung. Der Quarz eignet sich für eine hohe Frequenz. Die Schwingungszahl/Frequenz des angeregten Quarzes wäre aber zu hoch und auch von seinen Ausmaßen nicht in ein Uhrgehäuse passen, daher werden Uhrenquarze stabförmig verarbeitet.  Der Quarz ist demzufolge der Taktgeber der Uhr und ersetzt die mechanische Unruh.

Die Funkuhr ist eine Quarzuhr, die sich nach einem Funksignal (z.B. UTC-Zeitsignal) bei der Zeiteinstellung richtet. Die Funkuhr ist mit einem Empfänger für Radiowellen ausgestattet und empfängt das Zeitsignal von einem Langwellensender. Der Sender sendet dauerhaft, je nach Uhrentyp und Energieversorgung empfängt die Funkuhr das Zeitsignal einmal pro Stunde und bei Knopfzellenbetrieb einmal in 24 Stunden meist in der Zeit zwischen 2.00 Uhr und 4.00 Uhr morgens.

Abschließend muss man wohl behaupten, sind Uhren von Menschenhand hergestellte Wunderwerke und üben seit tausenden von Jahren eine ungeheure Anziehungskraft und Faszination aus. Eine Uhr, egal ob sie mechanisch mit Räderwerk, Wasser oder elektronisch funktioniert, ist ein faszinierendes Stück Technik, das für Designer den Reiz für immer neue Gestaltungsmöglichkeiten bietet.