Det Første Ur I Amerika Mislykkedes, Og Det Hjalp Revolutionere Fysik

For næsten tre århundreder, er den mest nøjagtige måde, at menneskeheden holdt styr på tiden, var gennem pendul ur. Fra sin oprindelige udvikling i det 17.århundrede indtil opfindelsen af kvarts ure i 1920 ‘ erne, pendul ure blev hæfteklammer af husstanden liv, gør det muligt for folk at organisere deres tidsplaner i henhold til en universelt aftalt standard., Oprindeligt opfundet i Holland af Christian Huygens helt tilbage i 1656, blev deres tidlige design hurtigt forfinet for i høj grad at øge deres præcision.

Men da det første pendulur blev bragt til Amerika, skete der noget bi .art. Uret, som havde fungeret udmærket på at holde præcis tid i Europa, kunne synkroniseres med kendte astronomiske fænomener, som solnedgang/solopgang og moonset/moonrise. Men efter kun en uge eller to i Amerika var det klart, at uret ikke holdt tiden ordentligt., Det første ur i Amerika var en fuldstændig fiasko, men det er kun begyndelsen på en historie, der ville revolutionere vores forståelse af planetens fysik.

i tusinder af år, for at forskere ikke havde nogen bedre metode til at holde gang end de gamle solur. Men fra begyndelsen af 1600-tallet førte Galileos undersøgelser af det svingende pendul — og især hans iagttagelse af, at en penduls periode udelukkende blev bestemt af dens længde — til tanken om, at et pendul teoretisk kunne bruges som et ur. Galileo drøftet id .en i 1637, og selv om han døde i 1642, id.levet på.,

i 1656 opfandt Christiaan Huygens det allerførste arbejdende pendulur, som var både primitivt og revolutionerende på en række måder. I løbet af de næste par årtier, justeringer blev foretaget, at forbedret pendul ur yderligere, herunder:

• afkortning swing, således at det kun skete for snævre vinkler, øge dets nøjagtighed,
• at øge længden af pendulet, og at sætte en tung masse på enden, hvilket har øget ur ‘ s levetid,
• standardisere en længde på 0.,994 meter til pendulet, hvilket betød, at hver “sving” fra den ene side til den anden varede nøjagtigt et sekund,
• og tilføjelsen af et minuts hånd, da urene nu var nøjagtige nok, så brøkdele af en time, ned til minut, Nu var meningsfulde mængder at diskutere.

alle disse innovationer var blevet foretaget før 1700: et bemærkelsesværdigt sæt fremskridt på kort tid. Den største kendte “fejlkilde”, der opstod med disse pendulure, skyldtes temperaturændringer: pendulets længde ville stige eller falde, da materialerne, de var lavet af udvidet eller kontraheret med temperatur., Ved at udvikle et temperaturkompenseret pendul-hvor perioden for en sving ikke ændrede sig, selv som temperaturen gjorde — kunne pendulure være nøjagtige inden for få sekunder om ugen. Det første amerikansk-byggede ur ville ikke forekomme i mange årtier efter dette fremskridt, og derfor blev de første amerikanske tidsindstillingsenheder importeret.derfor var det sådan et puslespil, da det første pendulur blev bragt fra Europa til Amerika. Uret, der blev bygget og kalibreret i Holland, var udsøgt nøjagtigt., Solnedgang/solopgang og månenedgang/måneopgang gange var præcis uger, med stjerner stigende og indstilling inden for et minut for den forventede tid uden nogen kalibrering for cirka en fuld måned. Men når det ur ankom til Amerika, blev såret og begyndte at tikke, begyndte alt at gå galt.

Inden for en enkelt uge, mennesker har bemærket, at Solen og Månen ikke var stigende eller indstilling på forudsagt gange, i henhold til denne nye ur. Desuden blev uoverensstemmelsen værre med hver dag, der gik., Mens uret skulle være nøjagtigt-på det tidspunkt – til inden for cirka 2 sekunder om dagen, eller cirka 15 sekunder om ugen, kørte det langsomt med mere end 30 sekunder om dagen. Ved udgangen af den første uge, det var slukket med næsten 5 minutter.

de konkluderede klart, at uret må have lidt skade under den transatlantiske rejse, der var nødvendig for at transportere uret fra Europa til Amerika. Så de gjorde det eneste, de vidste, hvordan de skulle gøre: de sender uret tilbage til producenten til reparation., Efter en anden transatlantisk rejse, hvor uret blev returneret fra Amerika til Holland. Da det ankom, viklede de Uret, observerede dets tikkende og sammenlignede det med alle de andre måder, de vidste om for at holde tid: til andre ure, til solceller og til stigning og indstilling af himmelobjekter.

til inden for 2 sekunder om dagen var uret helt nøjagtigt.

Denne maddening erfaring er velkendt for enhver, der nogensinde har været i en situation, hvor din bil er at gøre noget, du ved, at det ikke burde gøre: at lave en sjov lyd, forkert håndtering, bliver alt for varm, osv., Du bemærker problemet, du tager det til en mekaniker, og så snart du ankommer til mekanikeren, begynder bilen at opføre sig som om intet er galt. Det allestedsnærværende problem, som du har oplevet konstant, løser pludselig sig selv, når du ankommer til den ene person, der kunne diagnosticere og rette den. Endnu, så snart du kører væk, det uundgåeligt begynder at have dette problem igen.

hvis de havde sendt det ur tilbage til Amerika fra Europa, ville de have set nøjagtigt de samme fænomener forekomme., Uret — som holdt udsøgt præcis tid i Europa — ville være begyndt at køre med den forkerte sats i Amerika igen. Årsagen ville have været helt uklar for alle, der boede i Galileos tid, men det begyndte at give mening, når vi begyndte at forstå, hvordan gravitation fungerede.

Her på Jorden, den gravitationelle kraft er, hvad der driver den svinge et pendul. Hvis du flytter et pendul bare lidt væk fra sin ligevægtsposition, er tyngdekraften det, der trækker det tilbage mod ligevægtspositionen., Det er rigtigt, at pendulets periode er relateret til pendulets længde: hvis du vil fordoble perioden, skal du firedoble længden. (Et pendul, der er 0.994 meter langt, tager to sekunder at vende tilbage til sin startposition; et pendul, der er 0.2485 meter langt, tager 1 sekund at vende tilbage til sin startposition; en, der er 3.974 meter lang, tager 4 sekunder at vende tilbage til sin startposition osv.men vi antog fejlagtigt, før ne .ton kom sammen, at tyngdekraften fungerede på samme måde overalt på jordens overflade., Men måden gravitation fungerer på er, at den tiltrækker dig til Jordens centrum, selvom hele planetens masse tiltrækker dig. Fordi Jorden drejer på sin akse, buler den ved ækvator og komprimeres ved polerne. Effekten er svag, men stadig betydelig, og det betyder, at nogen ved en af jordens poler er tættere på jordens centrum end nogen ved ækvator.

Hvis du nogensinde taget en fysik klasse, du måske har lært, at alle objekter fremskynde “nedad” på 9,8 m/s2, der er under indflydelse af tyngdekraften, hvilket betyder, at hvis du taber en genstand fra resten og omsorgssvigt luftmodstand, så vil det fremskynde, i nedadgående retning, ved at 9.8 m/s (cirka 32 meter per sekund) for hvert sekund, at det falder., Og det er sandt! Hvor som helst du går, på jordens overflade, vil have den samme acceleration nedad mod Jordens centrum: 9, 8 m/s2.

men det er ikke stadig sandt, hvis du går til den tredje signifikante figur: til hvad der ofte er nævnt som 9.81 m / s2. Ved polerne, hvor du er tættest på jordens centrum, er tyngdeaccelerationen lidt større end gennemsnittet: 9, 83 m/s2. Ved ækvator, hvor du er længst fra Jordens centrum, er tyngdeaccelerationen lidt mindre end gennemsnittet: 9, 78 m / s2. Disse effekter er små, men over nok tid vil de tilføje op.,

Selv om vi tror, i de mest befolkede områder i Europa og Nord-Amerika for at være på nogenlunde samme breddegrader, det er ikke helt tilfældet. Amsterdam, den mest folkerige by i Holland, ligger på 52 N N breddegrad. Boston, som var den største by så langt nord som i Amerika, er en fuld 10 farther længere syd: ved 42 N N breddegrad. Andre store befolkningscentre i Amerika var endnu længere sydpå, tættere på ækvator, forværrede denne forskel.,

højdeændringer kan også gøre en forskel, med lavtliggende steder i nærheden af de polakker, der har den højeste accelerationer på Jorden på op til 9.834 m/s2, mens høje bjergkæder nær ækvator føre til, at den laveste målte acceleration: 9.764 m/s2. Latitude-problemet er dog især vigtigt, når det kommer til tidtagning, og vi kan se dette bare ved at lave en simpel beregning.

Lad os forestille os, at vi har bygget et pendul ur, hvor pendulet er præcis 0.994 meter i længden: hvad er kendt som en sekunder pendul., Hver halve sving af pendulet skal tage nøjagtigt 1 sekund, og da vi ved, at der er 86.400 sekunder på en 24 timers dag, ved vi — i teorien — hvordan man måler en dag. Her er, hvor godt vi ville gøre, ved at måle 43,200 svinger i dette pendul, afhængigt af vores lokale værdien af Jordens acceleration:

Korrekt kalibrering af et pendul ur — som vi nu ved — betyder, at det har den rette længde til tyngdeaccelerationen på sin særlige beliggenhed.,

penduluret var uden tvivl den første eksperimentelle indikation, vi havde, at tyngdekraften ikke er ensartet over jordens overflade. Allerede før Isaac ne .tons fremskridt var det kendt, at et pendul — hvis svingen er lille, er luftmodstanden ubetydelig, og temperaturen og længden forbliver konstant — tager altid den samme tid at gennemføre en fuld sving., Men den tid det tager et pendul at svinge varierer over jordens overflade, ikke kun med længde, men med to andre faktorer: højde og breddegrad.

det var et stort tip til en kendsgerning, som vi nu tager for givet: at gravitationsattraktionen fra jorden afhænger af din afstand til vores planetens centrum, snarere end at være ensartet over hele overfladen. Det faktum, at Jorden roterer om sin akse, og at rotation får ækvator til at bule i forhold til polerne, betyder, at et pendul tager længere tid at fuldføre en svingning, når tyngdekraften bliver svagere., Ethvert pendulur skal derfor kalibreres til gravitationsfeltet nøjagtigt, hvor du er. Det første ur i Amerika var en spektakulær demonstration af denne effekt, med den underliggende årsag er tyngdeloven selv!