Kell

Ajalugu

Vanimad kellad olid päikesekellad, mida tunti Hiinas juba III aastatuhandel eKr. Päikesekellas näitab varju asukoht kella plaadil (numbrilaual), missuguses täispöörde faasis pöörlev Maa parajasti on.
Veekellas on aja mõõduks veenõu täitumine, kui seda täidetakse püsiva veevooluga. Veekelli ehitati Vana-Egiptuses juba 1500 eKr. Seda kohandati temporaaltundidega, mille järgi ööpäev jagunes ööks ja päevaks ning kumbki neist 12 tunniks. Teadupärast päeva ja öö pikkus muutub aasta jooksul ning sellepärast oli vaja iga koidu ja eha ajal vee väljavooluava suurust muuta, et kell õigesti töötaks. Mõne veekella anumale oli graveeritud tunniskaala, lisaks sellele ujus anumas tavaliselt osutiks olev ese, mille asukoht oli veetasemest paremini näha. Leidus selliseidki veekelli, mis näitasid tunde vahetult: neil pani ujuk, mis vee anumasse voolates kerkis, hammaslati abil hammasratta külge kinnitatud osuti liikuma.
Ktesibios täiustas veekella. Talle ei meeldinud, et vee väljavooluava oli igal hommikul ja õhtul tarvis käsitsi reguleerida, ja konstrueeris numbrilaua, mis määras iga päeva jaoks õige veevoolu. Numbrilaud oli graveeritud pöörlevale silindrile ja pärast seda oli tarvis üksnes silinder iga päev tänasele päevale vastavasse asendisse keerata.
Paljudes kohtades pandi avalikult päikese- ja veekell kõrvuti välja, et nende näitu saaks omavahel võrrelda. Need ühendati kalendri ja isegi tuulelipuga. Nii näiteks olid need ühendatud Tuulte tornis, mille Kyrrhose Andronikos annetas Ateenale.
Platon leiutas äratuskella, mis tekitas vilet. Õhtuti täideti anum reguleeritava veekogusega. See tilkus teise nõusse ja jõudis päikesetõusu paiku releena toimiva hoovani. Relee mõjul tühjenes täis anum teise, seni tühi olnud anumasse. Vee survel tungis õhk sellest keelvile kaudu välja, tekitades heli.
Sama põhimõte kui veekellas on kasutusel ka liivakellas – liiv voolab läbi väikese ava ülemisest anumast alumisse. Kogu liiva ühest anumast teise voolamiseks kulub alati samakaua aega. Enne 16. sajandit leidsid liivakellad laialdast kasutust meresõidul, kirikutes, töökorralduses. Liivakelli on kasutatud veel hiljaaegu ja kasutatakse seniajani meditsiinis protseduurikellana, nõupidamistel sõnavõttude aja mõõtmiseks, köögis muna keetmise aja mõõtmiseks.
Kellana kasutati ka küünlaid. Nimelt täheldati, et süüdatud vahaküünal põleb umbes ühesuguse kiirusega. Mõnikord märkis juba valmistaja küünlale kriipsud, mille abul sai teada, kui palju aega on möödunud selle süütamisest. Mõnikord sulatati küünaldesse kindla vahemaa tagant sisse kuulikesi. Kui vaha kuulikese ümbert ära sulas, siis kukkus kuulike metallist alusele ja tekitas heli.
Klepsüdra (kreeka keeles 'veevarastaja') oli peatatav kell. Ta sai nime selle järgi, et vesi kadus temast märkamatult. Teda kasutati kohtus, sest kohtukõnede aeg oli kummagi poole jaoks piiratud. Ka Rooma Senatis oli kõneaeg piiratud 6 minutiga.
Taskukelladena kasutati niinimetatud reisi-päikesekelli. Need olid muudetava varjupulga ja mitme kohaskaalaga.
Herophilos leiutas pulsikella, millega sai esimest korda täpselt mõõta haige pulssi.
Hilisantiigis tulid moodi vigurkellad, millel olid tantsivad või võitlevad kujud. Säilinud on Prokopiose kirjeldus Palestiinas Gazas valmistatud viiesajast niisugusest kellast.
12. sajandist on esimesed teated tornikelladest Euroopas. Varased tornikellad võisid olla veekellad. 13. sajandi lõpus hakati Euroopas ehitama mehaanilisi tornikelli.

Käigumehhanism

Käigumehhanism on mehaanilise kella keskne osa, mis muudab kas voolava vee, langeva raskuse või pingest vabaneva vedru liikumise ülekande vahendusel näidiku liikumiseks. Käigu kiirust reguleerivaks seadmeks oli varastes käigumehhanismides viltuste hammastega kroonratas ja seda sammhaaval pöörelda lubav võnkuv spindel. Niisuguse käigumehhanismiga kella käigu kiirus oli ebaühtlane. Eriti vedrukellas olenes sammu kestus vedru pingest. Kell võis ööpäevas eksida pool tundi kuni tund ja vajas sellepärast sagedast seadistamist. Vanim säilinud mehaaniline tornikell on Salisbury katedraalis, ehitatud arvatavasti 1386. aastal.

Pendelkell

1657. aastal lisas Christiaan Huygens kella käigumehhanismi pendli. See muutis kella käigu oluliselt stabiilsemaks. Kella käigumehhanismi sammumise sageduse määrab pendli võnkumissagedus, mis on määratud pendli raskuskeskme kaugusega pendli teljest. Kroonratas asendati tasapinnalise ankrurattaga, mille sammumise tagab pendliga koos võnkuv ankur, mis lubab ankrurattal pendli iga võnkeperioodi kestel pöörduda kahe hamba võrra. Et pendli võnkumine ei sumbuks, annab ankruratas ankru vahendusel igal sammul pendlile täiendava impulsi. Ankruratast paneb hammasrataste süsteemi abil pöörlema kas langev raskus või üleskeeratud vedru. Sobiva ülekandesuhtega hammasrattad liigutavad ka osuteid. Kella käiku reguleeritakse pendli raskuskeskme asukoha muutmisega, nihutades pendli raskust pendli vardal.

Balansskell

Juba 1658. aastal stabiliseeris Robert Hooke metallvedru abil käigumehhanismi spindlit. 1674. aastal kujundasid Jean de Hautefeuille ja Christian Huygens selle spiraalvedruga balanssiirrattaks, mis võngub perioodiliselt tasakaaluasendi suhtes nagu pendelgi. Niisugune balanssiirrattaga ostsillaator (balanss) on seniajani mehaaniliste kellade käigu stabiliseerijana kasutusel nii seina-, laua-, tasku- kui käekellades. Võnkuv balanssiirratas liigutab edasi-tagasi ankrut, mis lubab ankrurattal teha iga balanssiiri võnkeperioodi kestel kaks sammu. Nagu pendelkellaski antakse balanssiirrattale igal sammul ankrurattalt ankru vahendusel täiendav impulss, mis tagab, et balanssiirratta võnkumine ei sumbu hõõrdumise tõttu. Balanssiirratta võnkeperiood on määratud ratta inertsmomendi ja ratast tasakaaluasendisse viiva spiraalvedru pingega. Kella käiku reguleeritakse spiraalvedru pikkuse muutmisega.
Elektromehaanilistes kellades võetakse ostsillaatori (pendel või balanssiir) võnkumiseks ja osutite liigutamiseks vajalik energia kas vooluvõrgust või patareist.

Elektrooniline kell

Elektroonilistel kelladel on 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.

Kellatüübid

Pendelkellad on enamasti seinakellad.
16. sajandi alguses hakati valmistama mehaanilisi taskukelli. Esialgu nimetati neid Nürnbergi munadeks.
20. sajandil levis käekellade kasutamine ning hakati valmistama elektronkelli. Kvartsresonaatoriga stabiliseeritud elektronkella nimetatakse kvartskellaks.
20. sajandi lõpukümnendeil hakati valmistama raadiokellasid, mis seatakse õigeks spetsiaalsete ajasignaale saatvate raadiosaatjate signaalidega.
Praegu täpseimad kellad on aatomkellad. Need on kvartskellad, mille käiku võrreldakse tseesiumi, hapniku või rubiidiumi aatomite elektronide erinevate energiatasemete vahele vastava raadiosagedusega.