První Hodiny V Americe Selhal, A To Pomohlo Revoluci ve Fyzice

Pro skoro tři století, nejvíce přesný způsob, který lidstvo stále přehled o čase byl prostřednictvím kyvadlové hodiny. Z jeho počátečního vývoje v 17. století až do vynálezu quartz hodinky, v roce 1920, kyvadlové hodiny se stal sponky rodinného života, umožnit lidem organizovat své plány podle všeobecně dohodnuté normy., Původně vynalezen v Nizozemsku Christian Huygens v roce 1656, jejich rané návrhy byly rychle rafinované výrazně zvýšit jejich přesnost.

ale když byly první kyvadlové hodiny přineseny do Ameriky, stalo se něco bizarního. Hodiny, které dokonale fungovaly při udržování přesného času v Evropě, mohly být synchronizovány se známými astronomickými jevy, jako je západ slunce/východ slunce a měsíc/východ měsíce. Ale po pouhém týdnu nebo dvou v Americe bylo jasné, že hodiny nedrží čas správně., První hodiny v Americe byla úplná selhání, ale to je jen začátek příběhu, který by revoluci naše chápání fyziky planety Země.

Po tisíce let, vědci neměl žádný lepší způsob, jak udržet čas, než starověké sluneční hodiny. Ale začíná v časném 1600s, Galileo vyšetřování houpající se kyvadlo — a, zejména, jeho pozorování, že období kyvadla byla určena výhradně jeho délka — vedlo k myšlence, že kyvadlo by mohlo teoreticky být použit jako hodiny. Galileo diskutoval o této myšlence v roce 1637, a ačkoli zemřel v roce 1642, myšlenka žila dál.,

v roce 1656 vynalezl Christiaan Huygens první pracovní kyvadlové hodiny, které byly v řadě způsobů primitivní i revoluční. V příštích několika desetiletích, byl zdokonalen, že lepší kyvadlové hodiny i další, včetně:

• zkrácení proudu tak, aby došlo k úzké úhly, což zvyšuje jeho přesnost,
• zvýšení délky kyvadla a uvedení těžkým hmotnosti na konci, který zvýšil hodiny je dlouhověkost,
• standardizace délky 0.,994 metrů pro kyvadlo, což znamenalo, že každý „houpačka“ z jedné strany na druhou trval přesně jednu sekundu,
• a přidáním minut ruku, jako hodiny byly nyní dostatečně přesné, tak, že zlomky hodinu, na minutu, teď byly smysluplné množství diskutovat.

Všechny tyto inovace byly provedeny před 1700: pozoruhodný soubor zálohy v krátkém množství času. Hlavní známo, že „zdrojem chyb“, které se vyskytly u těchto kyvadlových hodin bylo v důsledku teplotních změn: délka kyvadla by zvýšit nebo snížit, stejně jako materiály, které jsou vyráběny z expandovaného nebo smluvně s teplotou., Vývojem teplotně kompenzovaného kyvadla-kde se doba houpání nezměnila ani jako teplota-kyvadlové hodiny mohly být přesné během několika sekund týdně. První americké hodiny by se nevyskytovaly po mnoho desetiletí po tomto postupu,a tak byla importována první americká časomíra.

proto to byla taková hádanka, když byly první kyvadlové hodiny přivezeny z Evropy do Ameriky. Hodiny, postavené a kalibrované v Nizozemsku, byly nádherně přesné., Sunset / sunrise a moonset/moonrise časy byly přesné týdny, s hvězdami stoupající a nastavení během jedné minuty od předpokládaného času bez jakékoliv kalibrace po dobu přibližně celého měsíce. Ale jakmile tyto hodiny dorazily do Ameriky, byly zraněny a začaly tikat, všechno se začalo pokazit.

v Rámci jednoho týdne, lidé si všimli, že Slunce a Měsíc nebyl stoupá nebo nastavení v předpokládané časy podle této nové hodiny. Kromě toho se nesoulad zhoršoval s každým dalším dnem., Zatímco hodiny měly být přesné — v té době-do asi 2 sekund denně, nebo asi 15 sekund týdně, běželo pomalu o více než 30 sekund denně. Do konce prvního týdne to bylo téměř 5 minut.

dospěli k závěru, že hodiny musely utrpět určité škody během transatlantické cesty, která byla nutná k přepravě hodin z Evropy do Ameriky. Takže udělali jedinou věc, kterou věděli, jak dělat: posílají hodiny zpět výrobci k opravě., Po další transatlantické cestě, kde byly hodiny vráceny z Ameriky do Nizozemska. Když dorazili na místo, zranění hodiny, pozorovat jeho tikání, a to ve srovnání se všemi ostatními způsoby věděli, jak udržet čas: ostatní hodiny, sluneční hodiny, a na východu a západu nebeských objektů.

do 2 sekund za den byly hodiny dokonale přesné.

Tento nesnesitelný zážitek je známé každému, kdo někdy byli v situaci, kdy vaše auto je na tom něco víš, že to neměl dělat: dělat legrační zvuk, manipulace nesprávně, horko, atd., Všimnete si problému, vezmete ho k mechanikovi a jakmile dorazíte k mechanikovi, auto se začne chovat, jako by se nic nestalo. Všudypřítomný problém, který jste neustále prožívali, se náhle vyřeší, když dorazíte na jednu osobu, která by ji mohla diagnostikovat a opravit. Přesto, jakmile odjedete, nevyhnutelně začne mít tento problém znovu.

kdyby tyto hodiny posílali z Evropy zpět do Ameriky,viděli by přesně stejné jevy., Hodiny-které v Evropě udržovaly nádherně přesný čas-by v Americe opět začaly běžet špatným tempem. Důvod by byl naprosto nejasný pro každého, kdo žije v době Galilea, ale začalo to dávat smysl, jakmile jsme začali chápat, jak gravitace funguje.

Tady na Zemi, je gravitační síla je to, co pohání kývání kyvadla. Pokud posunete kyvadlo jen trochu od jeho rovnovážné polohy, gravitační síla je to, co ho táhne zpět do rovnovážné polohy., Je pravda, že doba kyvadla souvisí s délkou kyvadla: pokud chcete období zdvojnásobit, musíte délku čtyřnásobit. (Kyvadlo, které je 0.994 metrů dlouho bude trvat dvě vteřiny se vrátí do své výchozí polohy; kyvadlo, které je 0.2485 metrů dlouho bude trvat 1 vteřinu pro návrat do své výchozí polohy; ten, který je 3.974 metrů dlouho bude trvat 4 sekundy k návratu do své výchozí polohy, atd.)

ale mylně jsme předpokládali, než přišel Newton, že gravitace fungovala stejným způsobem všude na povrchu Země., Ale způsob, jakým gravitace funguje, je, že vás přitahuje do středu Země, i když vás přitahuje celá hmota planety. Protože se Země otáčí na své ose, vyboulí se na svém rovníku a stlačí se na pólech. Účinek je mírný, ale stále značný, a to znamená, že někdo na jednom ze zemských pólů je blíže ke středu Země než někdo na rovníku.

Pokud jste někdy měli fyziku, možná jste se dozvěděli, že všechny objekty urychlit „dolů“ na úrovni 9,8 m/s2 pod vlivem gravitace, což znamená, že pokud umístíte objekt od zbytku a zanedbání odporu vzduchu, pak se to urychlí, směrem dolů, a to o 9,8 m/s (asi 32 stop za sekundu) pro každý druhý, že to padá., A to je pravda! Kamkoli jdete, na povrchu země, bude mít stejné zrychlení směrem dolů, směrem ke středu Země: 9,8 m / s2.

ale není to stále pravda, pokud přejdete na třetí významné číslo: na to, co se běžně uvádí jako 9.81 m/s2. Na pólech, kde jste nejblíže středu Země, je gravitační zrychlení o něco větší než průměr: 9, 83 m/s2. Na rovníku, kde jste nejdále od středu Země, je gravitační zrychlení o něco menší než průměr: 9, 78 m / s2. Tyto účinky jsou malé, ale za dost času se sčítají.,

i když si myslíme, že nejvíce osídlené oblasti Evropy a Severní Ameriky, které mají být na zhruba stejné zeměpisných šířkách, to není tak docela pravda. Amsterdam, nejlidnatější město Nizozemska, je na 52 ° severní šířky. Boston, který byl největším městem na severu, jak to bylo v Americe, je plný 10° dále na jih: při 42° severní šířky. Další hlavní populační centra v Americe byla ještě dále na jih, blíže k rovníku, zhoršuje tento rozdíl.,

změny výšky mohou také dělat rozdíl, s nížinných lokalitách v blízkosti pólů mají nejvyšší zrychlení na Zemi až 9.834 m/s2, zatímco vysoké pohoří v blízkosti rovníku vést k nejnižší naměřené zrychlení: 9.764 m/s2. Problém zeměpisné šířky je však obzvláště důležitý, pokud jde o časomíra, a můžeme to vidět pouhým provedením jednoduchého výpočtu.

představme si, že jsme vybudovali kyvadlové hodiny kde kyvadlo je přesně to, 0.994 metrů na délku: to, co je známé jako sekund kyvadlo., Každá polovina kyvadla by měla trvat přesně 1 sekundu, a protože víme, že za 24 hodin je 86 400 sekund, víme — teoreticky — jak měřit den. Zde je návod, jak dobře budeme dělat měřením 43,200 houpačky tohoto kyvadla, v závislosti na naše místní hodnota Zemského zrychlení:

Správně kalibraci kyvadlové hodiny — jak nyní víme — znamená zajistit, že má správné délky pro gravitační zrychlení na jeho konkrétní umístění.,

kyvadlové hodiny, byl pravděpodobně první experimentální náznaky jsme měli, že gravitace není jednotná po povrchu Země. Ještě před záloh Isaac Newton, bylo známo, že kyvadlo — li houpačka je malý, odpor vzduchu je zanedbatelný, a teplota a délka zůstává konstantní — vždy má stejné množství času k dokončení plném proudu., Ale čas, kdy se kyvadlo houpá, se liší nad povrchem země, a to nejen délkou, ale dvěma dalšími faktory: nadmořskou výškou a šířkou.

byl to hlavní náznak skutečnosti, kterou nyní považujeme za samozřejmost: že gravitační přitažlivost ze země závisí na vaší vzdálenosti od středu naší planety, spíše než na uniformě po celém povrchu. Skutečnost, že se Země otáčí na své ose a že rotace způsobuje vyboulení rovníku ve srovnání s póly, znamená, že kyvadlo trvá déle, než dokončí oscilaci, protože gravitace je slabší., Jakékoli kyvadlové hodiny proto musí být kalibrovány na gravitační pole přesně tam, kde jste. První hodiny v Americe byly velkolepou ukázkou tohoto účinku, přičemž základní příčinou byl samotný gravitační zákon!