Kell

Kell on seade aja mõõtmiseks. Kell on üks vanemaid leiutisi, mis on loodud selleks, et mõõta aega ja/või pidada arvet ajavahemike kohta, mis on väiksemad kui looduslikud ühikud – ööpäev, sünoodiline kuu või aasta. Kella töö põhineb mingil püsival perioodilisel protsessil, näiteks Maa pöörlemisel, pendli, kvartsplaadi, aatomite või molekulide võnkumisel vms. Aega mõõdetakse perioodilise protsessi perioode või perioodi osi loendades. Aega saab mõõta ka püsiva kiirusega toimuvate protsesside – vee voolamine, küünla või õlilambi põlemine – abil. 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, ning ta 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 näite 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 sama kaua aega. Enne 16. sajandit leidsid liivakellad laialdast kasutust meresõidul, kirikutes, töökorralduses. Liivakelli on kasutatud veel hiljaaegu ja kasutatakse siiani meditsiinis protseduurikellana, nõupidamistel sõnavõttude aja mõõtmiseks, köögis muna keetmise aja mõõtmiseks. Kellana kasutati ka küünlaid. Nimelt täheldati, et süüdatud vahaküünal põleb enam-vähem stabiilse kiirusega. Mõnikord märkis juba valmistaja küünlale kriipsud, mille abil 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. See sai nimetuse selle järgi, et vesi kadus temast märkamatult. Teda kasutati kohtus, sest kummagi poole kohtukõnede aeg oli piiratud. Ka Rooma senatis tohtis kõnepidaja kulutada esinemiseks kuni kuus minutit. 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 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. 1657. aastal lisas Christiaan Huygens kella käigumehhanismi pendli. See muutis kella käigu oluliselt stabiilsemaks. Kella käigumehhanismi sammu 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. 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 ka 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. 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. 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 raadiokelli, mis seatakse õigeks spetsiaalsete ajasignaale saatvate raadiosaatjate signaalidega. Praegu täpseimad kellad on aatomkellad. Need on kvartskellad, mille käiku võrreldakse tseesiumi-, hapniku- või rubiidiumiaatomite elektronide erinevate energiatasemete vahele vastava raadiosagedusega. Kellasüsteem Tehnikaleksikon, lk. 197 Antiigileksikon, 1. kd., lk. 241 Singer, Charles, et al. Oxford History of Technology: volume II, from the Renaissance to the Industrial Revolution (OUP 1957)pg 650-1