thumb|Zegar na ratuszu w Kłodzku thumb|Zegar astronomiczny we Wrocławiu thumb|Ankeruhr w Wiedniu thumb|Orloj w Pradze thumb|Zegar słoneczny thumb|Mechanizm zegara na Bramie Krakowskiej w Lublinie thumb|Zegarek kieszonkowy thumb|Zegarek naręczny thumb|Pierwszy zegarek synchronizowany falami radiowymi, Junghans mega (analog)
Zegar – przyrząd do ciągłego pomiaru i wskazywania czasu. W sensie technicznym zegar łączy zjawisko o możliwie stałym okresie z układem zliczającym i przedstawiającym kolejne jednostki czasu. Nie każdy zegar jest jednak w pełni autonomicznym czasomierzem: w praktyce część urządzeń sama wytwarza i zlicza własny wzorzec czasu, a część działa głównie jako wskaźnik albo sterownik podporządkowany większemu systemowi synchronizacji. Rozwój zegarów prowadził od urządzeń wykorzystujących ruch Słońca albo przepływ wody i piasku, przez zegary mechaniczne i wahadłowe, do zegarów elektrycznych, kwarcowych, synchronizowanych radiowo i atomowych. W języku codziennym od zegara odróżnia się zwykle zegarek, czyli osobisty, przenośny czasomierz.
Przez większą część dziejów zegar był zarazem narzędziem technicznym i urządzeniem społecznym: porządkował rytm modlitw, pracy, transportu i życia miejskiego, a z czasem stał się też elementem infrastruktury naukowej, telekomunikacyjnej i informatycznej. W zależności od konstrukcji może działać jako autonomiczny czasomierz, zegar podrzędny synchronizowany zewnętrznie albo część większego systemu rozsyłania czasu.
Zegary klasyfikuje się według mechanizmu działania, sposobu prezentacji wskazań i funkcji. Obejmuje to zarówno zegary słoneczne, wodne, mechaniczne, kwarcowe i atomowe, jak i zegary analogowe, cyfrowe, radiowe, astronomiczne, systemowe czy sterujące, obecne od wielkich zegarów publicznych po ukryte układy taktujące urządzeń elektronicznych.
Etymologia Polskie słowo zegar jest zapożyczeniem ze średnio-wysoko-niemieckiego seigære i pierwotnie odnosiło się do urządzenia, w którym woda lub piasek opadają bądź przesączają się w sposób miarowy, czyli do klepsydry albo zegara wodnego. Dawne związki tego wyrazu z wyobrażeniem „cieknięcia” czasu zachowały się jeszcze w staropolszczyźnie, w której o zegarze mówiono, że „ciecze”, a nie że „idzie”. Dla porównania, w wielu językach Europy Zachodniej odpowiedniki nazwy zegara wywodzą się od słów oznaczających dzwon, co dobrze współgra z faktem, że wczesne zegary mechaniczne przez długi czas przede wszystkim wybijały godziny, zanim rozpowszechniły się tarcze przeznaczone do wygodnego indywidualnego odczytu czasu.
Rodzaje zegarów Zegary można klasyfikować według zasady działania, sposobu prezentacji czasu albo przeznaczenia.
Ze względu na zasadę działania wyróżnia się między innymi: zegary wykorzystujące zjawiska naturalne lub proste procesy fizyczne, takie jak zegar słoneczny, zegar wodny czy klepsydra zegary mechaniczne, w tym zegary mechaniczne, wahadłowe i balansowe zegary elektryczne i elektromechaniczne, rozpowszechnione od XIX i XX wieku zegary elektroniczne, zwłaszcza kwarcowe, cyfrowe i synchronizowane radiowo zegary atomowe, używane w metrologii, nawigacji satelitarnej i nauce.
Ze względu na sposób prezentacji czasu wyróżnia się przede wszystkim zegary analogowe i cyfrowe. Obok nich spotyka się także konstrukcje hybrydowe, łączące wskazówki z wyświetlaczem liczbowym, oraz zegary specjalne, na przykład dźwiękowe, dotykowe albo projekcyjne, przeznaczone do konkretnych zastosowań lub potrzeb użytkowników.
Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się między innymi zegary publiczne, domowe i osobiste, a także urządzenia wyspecjalizowane, takie jak zegary astronomiczne, wieżowe, dworcowe, budziki, stopery, zegary szachowe czy zegary systemowe w urządzeniach elektronicznych. W miejscach publicznych często stosuje się zegary z wieloma tarczami lub wyświetlaczami, aby ten sam czas był widoczny z kilku kierunków albo w kilku strefach czasowych.
Do odmian wyspecjalizowanych zalicza się także zegary rejestrujące i kontrolne, używane do ewidencji pracy, sterowania procesami albo dokumentowania przebiegu zdarzeń, a także konstrukcje przeznaczone dla osób niewidomych i słabowidzących, w których czas odczytuje się dotykiem albo przez komunikat głosowy.
Budowa i działanie Elementy podstawowe Niezależnie od konstrukcji typowy zegar składa się z kilku podstawowych elementów: źródła energii, na przykład obciążnika, sprężyny, baterii albo zasilania sieciowego układu regulującego tempo pracy, takiego jak wahadło, balans, oscylator kwarcowy albo rezonans atomowy mechanizmu zliczającego kolejne okresy drgań i przeliczającego je na sekundy, minuty oraz godziny układu wskazującego lub zapisującego czas, na przykład tarczy ze wskazówkami, wyświetlacza albo sygnału dźwiękowego.
W nowoczesnym ujęciu elementem odmierzającym czas jest oscylator harmoniczny, czyli układ wykonujący powtarzalne drgania o możliwie stałej częstotliwości. W zegarach mechanicznych rolę tę pełnią zwykle wahadło albo balans, w zegarach kwarcowych rezonator kwarcowy, a w atomowych przejścia energetyczne atomów będące wzorcem sekundy. Wahadło najlepiej sprawdza się w zegarach stacjonarnych, natomiast w zegarach przenośnych jego rolę przejmuje balans ze sprężyną włosową, mniej wrażliwy na zmianę położenia urządzenia. W zegarach mechanicznych ważną rolę pełni także wychwyt, który przekazuje energię do regulatora chodu i dozuje ruch przekładni. W zegarach elektronicznych podobną funkcję spełnia układ elektroniczny zliczający impulsy oscylatora.
Typowy zegar działa więc jako układ złożony z oscylatora, elementu podtrzymującego jego drgania, licznika przeliczającego kolejne impulsy na jednostki czasu oraz wskaźnika przedstawiającego wynik w postaci tarczy, cyfr albo sygnału dźwiękowego.
Napęd, regulator i układ wskazań Sam oscylator nie wystarcza jednak do działania zegara. Potrzebny jest jeszcze układ sterujący, który z jednej strony uzupełnia straty energii i utrzymuje drgania regulatora, a z drugiej zamienia je na serię uporządkowanych impulsów możliwych do zliczania. W zegarach mechanicznych funkcję tę pełni wychwyt, przekazujący niewielkie porcje energii wahadłu albo balansowi i jednocześnie uwalniający ruch przekładni skokami. W zegarach elektronicznych podobną rolę odgrywa układ wzmacniający i formujący sygnał oscylatora, a w atomowych bardziej złożony układ sprzężenia zwrotnego dostrajający generator do częstotliwości przejścia atomowego.
W klasycznym zegarze mechanicznym można wyróżnić zasobnik energii w postaci obciążnika albo sprężyny, przekładnię zębatą przenoszącą ruch, wychwyt współpracujący z regulatorem chodu oraz układ wskazań. W wielu zegarach publicznych i domowych dochodzi do tego także mechanizm bicia, kurantu albo prostego automatu, uruchamiany o określonych porach. Często oznacza to częściowe rozdzielenie funkcji w obrębie jednego urządzenia: jeden tor mechanizmu odpowiada za stały chód i wskazania, a drugi za wybijanie godzin, półgodzin albo uruchamianie dodatkowych efektów dźwiękowych i ruchomych.
W obrębie tej samej rodziny mechanicznej występują jednak istotne różnice konstrukcyjne. Najdawniejsze duże zegary wieżowe były zwykle napędzane ciężarami i projektowane raczej do pracy stacjonarnej niż do przenoszenia, natomiast zegary sprężynowe pozwoliły zmniejszyć mechanizm i umieścić go w zegarach stołowych, kominkowych czy kieszonkowych. Napęd sprężynowy nie rozwiązywał jednak automatycznie problemu dokładności, ponieważ siła oddawana przez sprężynę zmienia się w miarę jej rozwijania, więc praktyczne konstrukcje wymagały coraz lepszych rozwiązań regulacyjnych i kompensacyjnych. W zegarach stacjonarnych przełomem okazało się wahadło, a w przenośnych balans ze sprężyną włosową; oba te układy umożliwiły znacznie równiejszy chód niż wcześniejsze regulatory współpracujące z wychwytem wrzecionowym. Z kolei zegary astronomiczne rozbudowywały podstawowy mechanizm o dodatkowe przekładnie i tarcze pokazujące nie tylko godziny, lecz także fazy Księżyca, położenie Słońca, kalendarz albo święta ruchome.
Sposób dostarczania energii zależy od rodzaju zegara. W konstrukcjach mechanicznych trzeba okresowo magazynować energię w ciężarze albo sprężynie, natomiast w zegarach elektrycznych i elektronicznych rolę tę pełni bateria lub zasilanie sieciowe, czasem z dodatkowym podtrzymaniem na wypadek przerwy w dopływie prądu. Samo źródło energii nie jest jeszcze wzorcem czasu, lecz tylko warunkiem utrzymania ruchu regulatora albo pracy układu elektronicznego.
Między wzorcem częstotliwości a wskaźnikiem działa łańcuch przeliczeń, który sprowadza szybkie drgania do impulsów odpowiadających sekundom, minutom i godzinom. W zegarach mechanicznych funkcję tę pełnią przekładnie i wychwyt, a w zegarach elektronicznych dzielniki częstotliwości oraz układy logiczne. Dzięki temu ten sam stabilny oscylator może sterować nie tylko pojedynczą tarczą, lecz także rozbudowanym układem wyświetlaczy, sygnałów dźwiękowych albo urządzeń wykonawczych.
Mechanizm zliczający musi nie tylko dzielić częstotliwość, ale też przekazywać wynik do układu wskazań i pozwalać na nastawienie poprawnego czasu. W zegarze mechanicznym przekładnia obraca osie wskazówek z odpowiednimi przełożeniami, a zarazem przenosi energię z napędu do regulatora chodu, dlatego potrzebne są rozwiązania umożliwiające ręczne przestawienie wskazań bez zatrzymywania całego układu. W zegarach cyfrowych analogiczną rolę pełnią liczniki i układy nastawcze, które sumują impulsy oscylatora, zapisują aktualny stan czasu i pozwalają go skorygować przez przyciski, pokrętła albo sygnał synchronizujący.
Układ wskazań nie musi przy tym ograniczać się do tarczy ze wskazówkami. Najwcześniejsze zegary mechaniczne przez długi czas przekazywały czas przede wszystkim dźwiękiem, wybijając godziny na dzwonach, a dopiero później coraz częściej łączono tę funkcję z tarczą, wskazówkami, wyświetlaczem liczbowym albo automatem. Część zegarów projektowano więc głównie do wspólnego sygnalizowania czasu z daleka, a nie do precyzyjnego indywidualnego odczytu z niewielkiej tarczy.
Zegary autonomiczne, podrzędne i systemowe W instalacjach zbiorowych poszczególne tarcze nie zawsze są całkowicie samodzielnymi zegarami. W szkołach, na dworcach, w zakładach pracy i podobnych obiektach jeden zegar główny może rozsyłać impulsy do wielu zegarów podrzędnych, które zachowują wspólny czas nawet wtedy, gdy ich lokalny mechanizm jest uproszczony i służy głównie do prezentacji wskazań.
W takim układzie rola zegara może przesuwać się od zwykłego wskaźnika ku elementowi sterującemu. Ten sam łańcuch odmierzania czasu może uruchamiać dzwonek szkolny, rejestrator czasu pracy, sygnał stacyjny, programator albo inny układ wykonawczy, więc kluczowe staje się nie tylko pokazywanie godziny człowiekowi, ale też wygenerowanie impulsu lub komendy we właściwej chwili.
Nie wszystkie zegary mają więc w pełni autonomiczny wzorzec czasu. W zegarach synchronicznych zasilanych z sieci elektrycznej tempo pracy może zależeć od częstotliwości prądu przemiennego, natomiast zegary radiowe i sieciowe zwykle opierają się na lokalnym oscylatorze kwarcowym, który jest okresowo korygowany przez sygnał zewnętrzny. Część urządzeń pełni wtedy głównie funkcję licznika i wskaźnika, a właściwy wzorzec częstotliwości znajduje się poza samym mechanizmem, w sieci energetycznej, nadajniku czasu albo innej infrastrukturze synchronizacyjnej.
W praktyce oznacza to, że zegar zsynchronizowany z zewnętrznym źródłem nie musi zachowywać idealnej zgodności w każdej sekundzie, by dobrze spełniać swoją funkcję. Klasyczne zegary synchroniczne mogły w krótkim okresie lekko zyskiwać albo tracić wskutek wahań częstotliwości sieci, ale przy odpowiednim prowadzeniu systemu elektroenergetycznego ich błąd długookresowy pozostawał niewielki, bo suma cykli w dłuższym przedziale była utrzymywana blisko wartości nominalnej.
Podstawowe zasady odmierzania czasu