Die erste Uhr in Amerika gescheitert, Und es half Physik revolutionieren

Fast drei Jahrhunderte lang war die genaueste Art und Weise, wie die Menschheit die Zeit im Auge behielt, die Pendeluhr. Jahrhundert bis zur Erfindung von Quarzuhren in den 1920er Jahren wurden Pendeluhren zu Grundnahrungsmitteln des Haushaltslebens und ermöglichten es den Menschen, ihre Zeitpläne nach einem allgemein vereinbarten Standard zu organisieren., Ursprünglich in den Niederlanden von Christian Huygens in 1656 erfunden, wurden ihre frühen Designs schnell verfeinert, um ihre Präzision erheblich zu erhöhen.

Aber als die erste Pendeluhr nach Amerika gebracht wurde, passierte etwas Bizarres. Die Uhr, die zu einer genauen Zeit in Europa perfekt funktioniert hatte, konnte mit bekannten astronomischen Phänomenen wie Sonnenuntergang/Sonnenaufgang und Monduntergang/Mondaufgang synchronisiert werden. Aber nach nur ein oder zwei Wochen in Amerika war klar, dass die Uhr die Zeit nicht richtig hielt., Die erste Uhr in Amerika war ein völliger Misserfolg, aber das ist nur der Anfang einer Geschichte, die unser Verständnis der Physik des Planeten Erde revolutionieren würde.

Seit Tausenden von Jahren hatten Wissenschaftler keine bessere Methode, um Zeit zu halten als die alte Sonnenuhr. Jahrhunderts führten Galileos Untersuchungen zum schwingenden Pendel — und insbesondere seine Beobachtung, dass die Periode eines Pendels ausschließlich durch seine Länge bestimmt wurde — zu der Idee, dass ein Pendel theoretisch als Uhr verwendet werden könnte. Galileo diskutierte die Idee 1637, und obwohl er 1642 starb, lebte die Idee weiter.,

1656 erfand Christiaan Huygens die allererste funktionierende Pendeluhr, die in vielerlei Hinsicht sowohl primitiv als auch revolutionär war. In den nächsten Jahrzehnten wurden Verfeinerungen vorgenommen, die die Pendeluhr noch weiter verbesserten, darunter:

• Verkürzung des Schwungs, so dass er nur für schmale Winkel auftrat, Erhöhung seiner Genauigkeit,
• Erhöhung der Länge des Pendels und Anlegen einer schweren Masse am Ende, was die Langlebigkeit der Uhr erhöhte,
• Standardisierung einer Länge von 0.,994 Meter für das Pendel, was bedeutete, dass jeder „Schwung“ von einer Seite zur anderen genau eine Sekunde dauerte,
• und die Hinzufügung eines Minutenzeigers, da die Uhren nun genau genug waren, so dass Bruchteile von einer Stunde bis zur Minute nun bedeutungsvolle Größen zu diskutieren waren.

Alle diese Neuerungen waren vor 1700 gemacht worden: eine bemerkenswerte Reihe von Fortschritten in kurzer Zeit. Die wichtigste bekannte „Fehlerquelle“, die bei diesen Pendeluhren auftrat, war auf Temperaturänderungen zurückzuführen: Die Länge des Pendels würde zunehmen oder abnehmen, wenn die Materialien, aus denen sie hergestellt wurden, expandierten oder sich mit der Temperatur zusammenzogen., Durch die Entwicklung eines temperaturkompensierten Pendels — bei dem sich die Schwingungsdauer nicht einmal wie bei der Temperatur änderte-konnten Pendeluhren innerhalb weniger Sekunden pro Woche genau sein. Die erste in Amerika gebaute Uhr würde viele Jahrzehnte nach diesem Fortschritt nicht mehr auftreten, und so wurden die ersten amerikanischen Zeitmessgeräte importiert.

Deshalb war es so ein Rätsel, als die erste Pendeluhr von Europa nach Amerika gebracht wurde. Die in den Niederlanden gebaute und kalibrierte Uhr war exquisit genau., Sunset / sunrise und moonset/moonrise Zeiten waren genau für Wochen, mit Sternen steigen und Einstellung innerhalb einer Minute der vorhergesagten Zeit ohne Kalibrierung für etwa einen ganzen Monat. Aber als diese Uhr in Amerika ankam, verwundet wurde und anfing zu ticken, fing alles an, schief zu gehen.

Innerhalb einer Woche bemerkten die Menschen, dass Sonne und Mond laut dieser neuen Uhr nicht zu den vorhergesagten Zeiten auf-oder untergingen. Außerdem, die Diskrepanz wurde immer schlimmer mit jedem Tag., Während die Uhr sollte genau sein-zu der Zeit-innerhalb von etwa 2 Sekunden pro Tag, oder etwa 15 Sekunden pro Woche, es lief langsam um mehr als 30 Sekunden pro Tag. Am Ende der ersten Woche, war es um fast 5 Minuten.

Sie kamen zu dem Schluss, dass die Uhr während der transatlantischen Reise, die erforderlich war, um die Uhr von Europa nach Amerika zu transportieren, einen gewissen Schaden erlitten haben muss. Sie taten also das einzige, was sie zu tun wussten: Sie schickten die Uhr zur Reparatur an den Hersteller zurück., Nach einer weiteren transatlantischen Reise, bei der die Uhr von Amerika in die Niederlande zurückgebracht wurde. Als es ankam, wickelten sie die Uhr auf, beobachteten ihr Ticken und verglichen es mit all den anderen Wegen, die sie kannten, um die Zeit zu halten: mit anderen Uhren, mit Sonnenuhren und mit dem Auf-und Absteigen von Himmelsobjekten.

Bis innerhalb von 2 Sekunden pro Tag war die Uhr vollkommen genau.

Diese verrückte Erfahrung ist jedem bekannt, der sich jemals in einem Szenario befunden hat, in dem Ihr Auto etwas tut, von dem Sie wissen, dass es nicht getan werden sollte: ein lustiges Geräusch machen, unsachgemäß umgehen, zu heiß werden usw., Sie bemerken das Problem, Sie bringen es zu einem Mechaniker, und sobald Sie beim Mechaniker ankommen, verhält sich das Auto so, als wäre nichts falsch. Das allgegenwärtige Problem, das Sie ständig erlebt haben, löst sich plötzlich von selbst, wenn Sie bei der einen Person ankommen, die es diagnostizieren und beheben könnte. Doch sobald Sie wegfahren, fängt es unweigerlich wieder an, dieses Problem zu haben.

Wenn sie diese Uhr von Europa nach Amerika zurückgeschickt hätten,hätten sie genau die gleichen Phänomene gesehen., Die Uhr-die in Europa eine äußerst genaue Zeit beibehielt-wäre in Amerika wieder mit der falschen Geschwindigkeit gelaufen. Der Grund wäre für jeden, der in der Zeit von Galileo lebte, völlig unklar gewesen, aber es begann Sinn zu machen, sobald wir verstanden hatten, wie die Gravitation funktionierte.

Hier auf der Erde, die Gravitationskraft ist, was treibt die schwingen eines Pendels. Wenn Sie ein Pendel nur ein wenig von seiner Gleichgewichtsposition weg bewegen, zieht es es durch die Schwerkraft zurück in die Gleichgewichtsposition., Es stimmt, dass die Periode des Pendels mit der Länge des Pendels zusammenhängt: Wenn Sie die Periode verdoppeln möchten, müssen Sie die Länge vervierfachen. (Ein 0,994 Meter langes Pendel benötigt zwei Sekunden, um in seine Ausgangsposition zurückzukehren; Ein 0,2485 Meter langes Pendel benötigt 1 Sekunde, um in seine Ausgangsposition zurückzukehren; ein 3,974 Meter langes Pendel benötigt 4 Sekunden, um in seine Ausgangsposition zurückzukehren usw.)

Aber wir haben fälschlicherweise angenommen, bevor Newton kam, dass die Schwerkraft überall auf der Erdoberfläche auf die gleiche Weise funktionierte., Aber die Gravitation funktioniert so, dass sie dich zum Mittelpunkt der Erde zieht, selbst wenn die gesamte Masse des Planeten dich anzieht. Weil sich die Erde um ihre Achse dreht, wölbt sie sich an ihrem Äquator und wird an den Polen zusammengedrückt. Der Effekt ist gering, aber immer noch erheblich und bedeutet, dass sich jemand an einem der Pole der Erde näher am Erdmittelpunkt befindet als jemand am Äquator.

Wenn Sie jemals einen Physikunterricht besucht haben, haben Sie vielleicht gelernt, dass alle Objekte unter dem Einfluss der Schwerkraft mit 9,8 m/s2″ nach unten “ beschleunigen, was bedeutet, dass, wenn Sie ein Objekt aus der Ruhe bringen und den Luftwiderstand vernachlässigen, es in Abwärtsrichtung um 9,8 m/s (etwa 32 Fuß pro Sekunde) für jede Sekunde beschleunigt, in der es fällt., Und das ist wahr! Wohin Sie auch gehen, auf der Erdoberfläche, wird dieselbe Beschleunigung nach unten zum Erdmittelpunkt haben: 9.8 m/s2.

Aber es ist immer noch nicht wahr, wenn Sie zur dritten signifikanten Zahl gehen: zu dem, was allgemein als 9.81 m/s2 zitiert wird. An den Polen, wo Sie dem Erdmittelpunkt am nächsten sind, ist die Gravitationsbeschleunigung etwas größer als der Durchschnitt: 9, 83 m/s2. Am Äquator, wo Sie am weitesten vom Erdmittelpunkt entfernt sind, ist die Gravitationsbeschleunigung etwas kleiner als der Durchschnitt: 9, 78 m / s2. Diese Effekte sind winzig, aber mit genug Zeit summieren sie sich.,

Obwohl wir denken, dass die bevölkerungsreichsten Gebiete Europas und Nordamerikas ungefähr die gleichen Breiten haben, ist dies nicht ganz der Fall. Amsterdam, die bevölkerungsreichste Stadt der Niederlande, liegt auf 52° nördlicher Breite. Boston, das war die größte Stadt so weit nördlich wie es in Amerika war, ist eine volle 10° weiter südlich: bei 42° N Breite. Andere große Bevölkerungszentren in Amerika befanden sich noch weiter südlich, näher am Äquator, was diesen Unterschied verschärfte.,

Höhenänderungen können auch einen Unterschied machen, da Tieflandlagen in der Nähe der Pole die höchsten Beschleunigungen auf der Erde von bis zu 9.834 m/s2 aufweisen, während hohe Gebirgszüge in der Nähe des Äquators zur niedrigsten gemessenen Beschleunigung führen: 9.764 m / s2. Das Breitengradproblem ist jedoch besonders wichtig, wenn es um die Zeitmessung geht, und wir können dies nur durch eine einfache Berechnung sehen.

Stellen wir uns vor, wir haben eine Pendeluhr gebaut, bei der das Pendel genau 0,994 Meter lang ist: was als Sekunden-Pendel bekannt ist., Jeder halbe Schwung des Pendels sollte genau 1 Sekunde dauern, und da wir wissen, dass es 86.400 Sekunden an einem 24 — Stunden — Tag gibt, wissen wir theoretisch, wie man einen Tag misst. Hier ist, wie gut wir es tun würden, indem wir 43.200 Schwingungen dieses Pendels messen, abhängig von unserem lokalen Wert der Erdbeschleunigung:

Eine Pendeluhr richtig kalibrieren — wie wir jetzt wissen — bedeutet sicherzustellen, dass sie die richtige Länge für die Gravitationsbeschleunigung an ihrem bestimmten Ort hat.,

Die Pendeluhr war wohl der erste experimentelle Hinweis darauf, dass die Schwerkraft nicht gleichmäßig über der Erdoberfläche ist. Schon vor den Fortschritten von Isaac Newton war bekannt, dass ein Pendel — wenn der Schwung klein ist, der Luftwiderstand vernachlässigbar ist und Temperatur und Länge konstant bleiben — immer die gleiche Zeit benötigt, um einen vollen Schwung zu vollenden., Aber die Zeit, die ein Pendel benötigt, um über die Erdoberfläche zu schwingen, variiert nicht nur mit der Länge, sondern auch mit zwei anderen Faktoren: Höhe und Breite.

Es war ein wichtiger Hinweis auf eine Tatsache, die wir jetzt für selbstverständlich halten: Dass die Anziehungskraft der Gravitation von der Erde von Ihrer Entfernung zum Zentrum unseres Planeten abhängt, anstatt über die gesamte Oberfläche gleichmäßig zu sein. Die Tatsache, dass sich die Erde um ihre Achse dreht und diese Rotation dazu führt, dass sich der Äquator im Vergleich zu den Polen wölbt, bedeutet, dass ein Pendel länger dauert, um eine Schwingung zu vollenden, wenn die Schwerkraft schwächer wird., Jede Pendeluhr muss daher auf das Gravitationsfeld genau dort kalibriert werden, wo Sie sich befinden. Die erste Uhr in Amerika war eine spektakuläre Demonstration dieses Effekts, wobei die zugrunde liegende Ursache das Gesetz der Schwerkraft selbst war!