كيف تعمل ساعات الكوارتز- لها قلب ينبض 32,768 مرة في الثانية

هذا الفيديو برعاية (NordVPN)

قد يقول احد عشاق الساعات مفتحراً

بأن الساعات الميكانيكية أرقى وأكثر دقة من تلك التي تعمل بالبطارية

وانا اعرف لماذا يفكرون بتلك الطريقة

فالساعة الميكانيكية تحتوي تروساً غاية في الدقة والتعقيد

وغاية في الصغر

وفوق ذلك ميكانيكية تماماً لا تحتاج الكهرباء لتعمل

هذا مدهش حقاً اقتناء تلك الساعة أمرٌ محبب للنفس

لكن عندما تعرف آليّة عمل ساعات الكوارتز التي تعتمد على البطارية كمصدر للطاقة

يصبح اقتناؤها محبباً للنفس بنفس القدر بالنسبة لي على الأقل

ربما سأشتري واحدة منها بمجرد أن تموت ساعتي الذكيّة

لكن على أيّ حال

سأتكلم في هذا الفيديو عن الآليّة المدهشة التي تعمل بها ساعات الكوارتز

اذا اردت أن تصنع أيُّ نوعٍ من اجهزة قياس الوقت

فأول ما ستحتاجه هو أيُّ شيء يتذبذب

وأن تعرف الوقت الذي تستغرقه كل ذبذبة

اوضخ مثال هو ساعة البندول

والتي تعتمد على بندول معلومٌ انه يستغرق ثانية واحدة ليتأرجح ذهاباً واياباً

لدينا زمن التذبذب الدوري وبإمكاننا استخدامه لاشتقاق آليّة الساعة

لكن ساعة البندول لن تعمل اذا حاولت ارتدائها على معصمك

لأن حركة يدك ستجعل البندول يتحرك في كل الإتجاهات

لهذا لن تعمل ساعة البندول على السفينة

في الواقع، كانت الحاجة لمعرفة الوقت في البحر

هي ما دفع البشر لتطوير ساعات غير معتمدة على البندول

الشيء الذي أدي في النهاية الى ابتكار ساعات المعصم الميكانيكيّة

اسُتبْدل البندول في الساعات الميكانيكية بكتلة متأرجحة\متذبذبة

تتأرجح على نابض يشبه هذا تقريباً

عدا أن هذا النظام ليس بأفضل من البندول

كونه يعتمد على الجاذبية وسيتأرجح يمنة ويسره على السفينة

لذلك نستخدم الزنبرك بدلاً منه

وكتله دوّاره

تربط الكتله الدورارة الزنبرك وترخيه بشكل متكرر تماماً مثل هذا

آليّة العجلة المتوازنة تلك هي اساس معظم الساعات الميكانيكية

وقد تصل دقتها لحد لا يصدق

فقد لا تفقد الساعات الميكانيكيّة عالية الدقة أكثر من خمس ثوان في اليوم

و مع ذلك تتجاوز الساعات التي تعمل بالبطارية هذه الدقة بسهولة

ويرجع الفضل لدقتها تلك الى..

شوكة رنانة بالغة الصغر

اذاً، ساعة البندول تستخدم بندولاً متأرجحاً له تردد ثابت ومعروفٌ زمنه الدوري

والساعات الميكانيكية تستخدم كتلة مثبتة على زنبرك له تردد ثابت ومعروف

والساعات التي تعمل بالبطارية تستخدم شوكة رنانة ذات تردد ثابت ومعروفٌ زمنه الدوري

تحديداً، هذه الشوكة الرنانة تتذبذب بمعدّل

440 ذبذبة في الثانية وهو تردد مسموع

والمعروف موسيقياً بــ "أ فوق الجيم الوسطى"

هل تسمعونه!

ربما لاحظتم بالفعل مشكلة استخدام الشوكة الرنانة لقياس الوقت

والتي هي..

عليك أن تخبطها لجعلها تهتز

ومن ثم يخمد الاهتزاز تدريجياً

حتى تتوقف عن الإهتزاز تماماً

كيف نجعلها تستمر بالإهتزاز

وايضاً كيف نحول هذا الإهتزاز الى دقات ساعة

في الواقع، يمكن لمغناطيس كهربائي حل كلتا المشكلتين

فلنعتبر ان هذا الشيء شوكة رنانة مبسطة

لا اعرف ان كان التشبيه صحيحاً ام لا

ليست الا قضيب معدني ومشدّ حدادة

لكن على أيّ حال

تشبه الشوكة الرنانة في أنك لو ضربتها فــ..

فستهتز عند تردد الرنين الطبيعي الخاص بها

لا يمكنك سماعها مثل الشوكة الرنانة لأن..

ترددها منخفض جداً

لكن مثل الشوكة الرنانة،

لو تركتها لمدة كافية فسيخمد اهتزازها تدريجياً الى أن يتوقف تماماً

في النهاية!

لا فائدة، سيطول الأمر

الآن، انظر الى هذا التجهيز

لديّنا مغنطيس كهربائي هنا (كهراطيس)

هذه هي الاسلاك التي تفعّله -المغناطيس الكهربائي-

هذا الطرف متصل بمزوّد الطاقة مباشرة

والطرف الآخر غير متصل بأيّ شيء

وبالتالي، الدائرة مقطوعة والمغناطيس الكهربائي لا يعمل

لكن طرف مزوِّد الطاقة الآخر متصل بالمسطرة المعدنية

لذا، اذا لامست المسطرة هذا الطرف

ستكتمل الدائرة وسيعمل الكهراطيس (المغناطيس الكهربائي)

لقد الصقت مغناطيس دائم بالمسطرة هنا

والذي سيتنافر مع الكهراطيس حالما يتم تفعيل الكهراطيس

و ليكتمل التجهيز علينا جعل السلك يبعد عن المسطرة قليلاً

بحيث عندما تقترب المسطرة من الكهراطيس

تكتمل الدائرة و يعمل الكهراطيس ليتنافر مع المغناطيس الدائم ويرسله بعيداً

الأمر يشبه دفع شخص يتأرجح على أرجوحة

كلما اقتربت منك الأرجوحة تدفعها بعيداً

انت لن تغير تردد الأرجوحة (معدل اهتزازها في الثانية)

انت فقط تبقيها مستمرة الحركة

علنا نستطيع تطبيق هذا هنا

و كعلاوة على ذلك، يمكن استخدام تيار الدائرة الذي يتقطّع على فترات معينة

لتنظيم دقات الساعة

يمكننا ايجاد نموذج اكثر تطوراً واصغر حجماً من هذا التجهيز

في الساعات المصنعة بين عامي 1914 و 1916

توجد بداخل ساعة "الأكيوترون" شوكة رنانة

تتذبذب 360 مرة في الثانية

واذا وضعت الساعة بجانب اذنك

ستسمع هذا الصوت

والذي هو رائع

لكن الثورة الحقيقية كانت بعد اكتشاف الكهرباء الضغطية

شرحت تأثير الكهرباء الناتجة عن الضغط في الفيديو السابق

ولماذا يظهر ضمن بلورات معينة

تلخيصاً للأمر: اذا جئت ببلورة من معدن المرو (الكوارتز)

وقطعتها بطريقة معيّنة

ومن ثمًّ شوهت هيكلها البلوري اذا قمت بخبطها مثلاً

فسيتولد جهد عبر البلورة

وبالعكس اذا طبقت جهداً على البلورة

فسيتشوه ترتيبها البلوري (ستتغير طولاً أو ارتفاعاً)

اذا نظرت بداخل أيّ ساعة رقميّة

أو حتى ساعة تناظريّة تعمل بالبطارية

أو لو فتحت قلب ساعة حائط تعمل بالبطارية

فسوف تجد هذا المكوِّن

واذا ازلت غطاء الحماية الخارجي

ها هي ذي.. بللورة من معدن المرو (الكوارتز)

على شكل شوكة رنانة

اذا ضربت هذه البلورة فسوف تطنّ

كشوكة رنانة

عدا أنك لن تكون قادراً على سماعها

لأن ترددها أعلى من أن تسمعه آذاننا

لكن لأن لها خاصيّة كهرضغطيّة لا يقتصر عملها على انتاج هذا الصوت الغير مسموع

بل تنتج ايضاً جهد متردد قابل للقياس

هذا راسم ذبذبات رقمي يتصل بالحاسوب

ما ترونه هنا هو الجهد المُقاس عبر المجسات الكهربائية

قمت بتوصيل شوكة "الكوارتز" بالمجسات الكهربائية

لا شيء يحدث في هذه اللحظة

لكن اذا نقرتها باصبعي

اترون ذلك النمط الموجي

الجهد الذي تقيسه المجسات

يرتفع وينخفض

لأن البلورة الكهرضغطيّة تهتز الى الامام والخلف

وبالتالي الجهد الذي تنتجه يرتفع و ينخفض

يمكننا أخذ لقطة للشاشة ومحاولة معرفة التردد

أو أن نغيّر لوضع التردد

والذي يظهر فيه التردد رسماً بيانياً

الآن اذا نقرتُ الشوكة البللورية

اترون الإرتفاع المفاجئ في التردد

وضعتُ خطاً تأشيرياً عند تردد 32.7 كيلوهرتز وعندما انقر على الشوكة

هذا بالضبط المكان الذي يظهر فيه الإرتفاع الفاجئ

لكن اهتزازها يخمد سريعاً بالضبط كما هو الحال مع الشوكة الرنانة

وعلينا ايجاد طريقة لجعله يستمر كما فعلنا مع المغناطيس الكهربائي

يمكننا عمل شيء بارع حقاً بشوكة البلورة الكهرضغطية الرنانة

نأخذ الجهد الناتج عن الشوكة الرنانة ذلك الجهد المتذبذب

ونمرره على مضخم جهد

ومن ثمًّ نعيده ثانيةً الى الشوكة الرنانة

وبهذا تستمر الشوكة الرنانة بالإهتزاز

عند تردد رنينها الطبيعي

ها هي البلورة الكهرضغطيّة وقد وضعت ثانيةً

في دائرة مضخم الجهد و التغذية الراجعة التي تكلمنا عنها

وانظر معي ها هو تردد الجهد ثابت عند 32.7 كيلوهرتز

قياس 32.7 كيلو هرتز

مقرب الى أول رقم عشري فقط

حدث أنني أعرف ان القيمة الحقيقية الفعليّة

هي 32.768 كيلوهرتز

أو بشكل آخر 32768 هرتز

تتم معايرة بللورات الكوارتز في المصنع لتتذبذب عند هذا التردد بالضبط

حيث يضيفون ذهباً لأطراف الشوكة الرنانة البلورية

وبعدها يزيلون القليل منه تنعيماً -يَبْرُدُونَهُ-

حتى يصبح التردد مضبوطاً عند المعدل المطلوب

واذا كنت تعرف قوى الرقم 2 فلعلك لاحظت ان قيمة التردد هي 2 الى القوة 15

ولكن لما هذا الرقم تحديداً

يوجد سبب ذا وجاهة وراء ذلك

في الواقع اثنان سببان قيمان فعلاً

الأول هو أن التردد يجب ان يتجاوز 20 الف هرتز

لأن هذا هو الحد الذي يستطيع الإنسان سماعه

وأنت لا تريد أن تصدر ساعتك أنيناً مسموعاً

لذا يجب ان يكون التردد اعلى من 20 الف هرتز

و 15 هو اول اسّ لــ 2 اعلى من 20الف

لا زلت اسمع ذلك

لكن...

لماذا يجب أن يكون التردد احد قوى الرقم 2

هنا يصبح الأمر شديد البراعة

لأنه يمكننا ان نأتِ بمثل تلك الإشارة المتذبذبة

ومن ثمّ نمررها عبر سلسلة من دوائر القلاب الإلكترونية

والتي ستحول الإشارة ذات التردد 32.768 كيلوهرتز الى اشارة ترددها واحد هرتز

نبضة واحدة في الثانية

ويمكننا استخدام تلك النبضة الواحدة في الثانية

في تحريك عقرب الثواني في الساعة

ماذا اعني بقولي سلسلة من دوائر القلاب؟

حسناً، دائرة القلاب هي دائرة الكترونية منطقية

لن ادخل في كيفية بناء دائرة القلاب

من دوائر "العطف" أو "الفك" المنطقية

لكن اعرف فقط أن دائرة القلاب يمكنها الحفاظ على قيمة ثابتة

بالتالي اذا زودتها باشارة تتغير هذه القيمة لواحد وتظل ثابتة عند واحد

الى ان تزودها باشارة اخرى فتتحول القيمة لصفر

وتظل عند القيمة صفر حتى تزودها باشارة اخرى

دعونا نرى ماذا يحدث عندما نربط 15 من هذه القلابات معاً على التوالي

فلنفحص القلّاب الأول كبداية

تذكر لدينا اشارة الشوكة البلورية الرنانة نغذي بها القلاب

وهي على هيئة موجة جيبية

لكن هذا جهاز رقمي يميز بين الواحد والصفر وحسب

انه قلّاب ذكي لو اردت القول

يقبل اشارة واحد أو صفر فقط

بالتالي تتم معالجة الموجة القادمة من بلورة الكوارتز

وتحويلها الى موجة مربعة مثل ذلك

بالتالي القيمة التي تدخل الى القلاب اما ان تكون واحد او صفر

ودائرة القلاب المنطقية مصممة بحيث تتغير حالته

بمجرد تغير قيمة الإشارة الداخلة اليه من واحد الى صفر

بالتالي تتغير حالته فقط عند هبوط قيمة الإشارة من واحد الى صفر

لذا ها هي الإشارة آتية وفي لحظة هبوطها تتغير حالة القلاب (يشبه ذلك بانقلاب الشبشب)

ومن ثمّ تأتي الإشارة التالية

وبمجرد انقطاع هذه الإشارة يعود القلاب لحالته الأولى

وتأتي بعدها الإشارة الثالثة

فتتغير حالة دائرة القلاب (يشبّه ذلك بإنقلاب الشبشب)

ومن ثم تأتي الإشارة الرابعة فتتغير حالة دائرة القلاب

نحن نفترض ان هذا وضع القلاب عند القيمة صفر وان هذا وضعه عند القيمة واحد

تلاحظ ان حالة القلاب تصبح عند القيمة واحد كل اشارتين متتابعتين

وبالتالي تصبح قيمته واحد عند كل اشارة فردية

بحيث تتغير حالة هذا القلاب الى القيمة واحد بمعدل

نصف عدد ذبذبات الإشارة القادمة اليه

وهنا الجزء العبقري

تأتي بالإشارة الناتجة عن هذا القلاب

وتغذي بها القلاب التالي في السلسلة

وبالتالي..

تتغير حالة هذا القلاب الى القيمة واحد

وتذكر ان دائرة القلاب المنطقية مصممة بحيث تتغير حالته بين القيمة (0و 1)

بمجرد هبوط قيمة الإشارة المغذية له الى الصفر

وبالتالي في اللحظة التي تنقلب قيمة هذا القلاب الى الصفر

تصبح قيمة هذا القلاب واحد

مثل ذلك، تمام

يعود هذا الى القيمة واحد ثانيةً

وفي اللحظة التي تصبح قيمته فيها صفر

يعود القلاب الآخر الى القيمة صفر

وبالنظر لهذين الإثنين بمعزل عن الباقي

نلاحظ ان هذا القلاب تتغير حالته بنصف معدل تغير هذا الأول

والذي تتغير حالته بنصف معدل تذبذب الإشارة القادمة اليه

ومن ثم نربط الثاني بالثالث

وبالتالي لدينا..

واحد

صفر

واحد

صفر

ومن ثم تتغير قيمة الثالث الى الواحد بمجرد تحول قيمة الثاني الى الصفر

وتتكرر الدورة مرة اخرى

واحد.... صفر.

واحد

صفهههر

ويعود الثالث الى القيمة صفر في نفس اللحظة

بسبب تحول الإشارة القادمة من القلاب الثاني الى صفر

المهم في الأمر هو أن التردد ينخفض بمعدل النصف لكل دائرة قلاب في السلسلة

فكر معي في الأمر لديك اشارة كهربائية قادمة بمعدل تذبذب 32768هرتز

تتغير حالة -يتذبذب- هذا القلاب بنصف ذلك المعدل

والذي هو 16384 ذبذبة

بالمناسبة انا لا انظر لشيء محدد هناك

والثاني تتغير حالته بنصف معدل تغير الأول

والذي هو 8192

ذبذبة في الثانية

وهذا نصف المعدل السابق والذي هو 4096

وهكذا على طول السلسلة

هذه الأرقام هي قوى الرقم اثنان

لدينا اشارة بتردد 2 الى القوة 15

وتردد هذا القلاب 2 الى القوة 14

وهذا 2 الى القوة 13

اثنان الى القوة 12

اثنان الى القوة 11

وهكذا 10..9..8..7..6..5..4..3..2....1

هذا تردده 2 الى القوة 1 والذي هو 2 هرتز اي ان حالته تتغير بمعدل ذبذبتان في الثانية

وبالتالي تردد هذا 2 الى القوة صفر أو واحد

وبالتالي تتغير حالتة هذا القلاب مرة كل ثانية

في الواقع لدي هنا قلاب زائد

لسنا بحاجة الى 15 قلاب نحن بحاجة الى 14

كان هذا خطأي

هذ يدعى خطأ بفرق واحد

يحدث كثيراً في البرمجة

وبالتالي نأخذ الإشارة الكهربائية من هذا القلاب

لنشغل بها ما يسمى بالمحرك خطوي

و هو محرك يتحرك خطوة دائرية ثابتة في كل مرة تغذيه بجهد كهربائي

وبالتالي يمكن استخدامه مع سلسلة من التروس

لتحريك عقرب الثوانٍ

وبعض التروس الأخرى لتحريك عقرب الدقائق و كذا عقرب الساعات

ولأننا نتعامل مع اشارة كهربائية رقمية من الاساس

يمكننا ان نتحاشى التروس الميكانيكية تماماً

توصيل تلك الإشارة بشاشة عرض LCD رقمية سيفي بالغرض

وهذه كيفية عمل ساعات الكوارتز

لن تفقد أيُّ ساعة كوارتز اكثر من ثانية واحدة في اليوم ولو كانت رديئة الصنع

وهي دقة اعلى كثيراً من افضل الساعات الميكانيكية صناعة

لكن بالطبع...

ساعات الكوارتز ليست ادق وسيلة لقياس الزمن

ادق وسيلة نستخدمها لقياس الوقت حالياً هي الساعة الذريّة

لكن هل تعلم..

الساعة الذريّة تستخدم ذبذبات بلورة الكوارتز لقياس الوقت

كل ما هنالك

انها تستخدم ايضاً ذرات السيزيوم

لضبط اهتزازات بلورة الكوارتز في حالة تغير ترددها عن القيمة الدقيقة المقدرة

اذاً صحيح.. حتى الساعات الذريّة تستخدم بلورات الكوارتز

لن اشرح الآن كيف تعمل الساعات الذريّة

لأن الانترنت مليء بالفيديوهات التي تشرح هذا الأمر

افضل ما وجدته من فيديوهات تشرح الساعة الذريّة

موجود على قناة Everythink

لذا انا اوصيك بالقفز هناك ومشاهدة الفيديو

سأضع الرابط في نهاية الفيديو وفي الوصف

لكني انصح ايضاً بالإشتراك في تلك القناة

فصاحبها يقوم مؤخراً بعمل تلك الفيديوهات السينيمائية الملحمية

والتي يناقش فيها العلوم المختلفة

ممتعة حقاً

لذا توجه الى هناك شاهد فيديو الساعات الذرية ولا تنس ان تشترك ايضاً

فكرة هذا الفيديو جائت الي

لأنني كنت ابحث عن كيفية معرفة الكمبيوتر بالوقت

وكيف تتزامن العمليات الحاسوبية حول العلم باستخدام بروتوكول توقيت الشبكة

لأني كنت اقوم بتدقيق أمني

واتضح أن ضبط توقيت جهازك مهم من منظور أمني

من كان يعلم!

كنت ايضاً اتفقد شبكات VPN

لذا قررت التواصل مع NordVBN

لأرى ان كانوا سيقومون برعاية هذا الفيديو

لأني استخدم منتجهم (Nordvbn) الآن

لذا نعم... هم الراعي لهذا الفيديو

كلمة VPN تعني شبكة افتراضية خاصة

وما تعنيه بالفعل هو ان كل انشطتك على الإنترنت ستكون آمنة

ستكون مخفية ومجهولٌ مصدرها و الـ IP الخاص بك سيكون مخفياً

وكل شيء مشفر

بالطبع ليس لديك شيء لتخفيه

لكن كل تلك البيانات التي تتدفق من جهازك

لها قيمة.

ومن الممكن استخدامها بطرق ليست بالضرورة لصالح المستخدم

وكعلاوة على ذلك اذا صادفت قبلا رسالة على اليوتيوب تقول:

هذا الفيديو غير متاح لبلدك

يمكنك تخطي هذا باستخدام VBN عن طريق استخدام IP بلد آخر

و الأمر غاية في السهولة اذا كنت من مستخدمي NordVBN مثلي

وهو متاح على جهاز الكمبيوتر وايضاً على اجهزة الأندرويد و IOS

واذا ذهبت الآن الى رابط (nordvbn.com/steve)

فستحصل على خصم 70% والذي هو 2.99 دولار في الشهر

واذا استخدمت البون steve اثناء الدفع

فستحصل على اول 30 يوم مجاناً

تفقد NordVBN اليوم

آمل ان قد استمتعت بالفيديو لو كنت فلاتنس ان تخبط زرّ الإشتراك

وسأراك المرة القادمة