El primer reloj en América falló, y ayudó a revolucionar la física

durante casi tres siglos completos, la forma más precisa en que la humanidad realizó un seguimiento del tiempo fue a través del reloj de péndulo. Desde su desarrollo inicial en el siglo XVII hasta la invención de los relojes de cuarzo en la década de 1920, los relojes de péndulo se convirtieron en elementos básicos de la vida doméstica, permitiendo a las personas organizar sus horarios de acuerdo con un estándar universalmente acordado., Inicialmente inventados en los Países Bajos por Christian Huygens en 1656, sus primeros diseños fueron rápidamente refinados para aumentar en gran medida su precisión.

pero cuando el primer reloj de péndulo fue traído a las Américas, algo extraño sucedió. El reloj, que había funcionado perfectamente bien para mantener la hora exacta en Europa, podía sincronizarse con fenómenos astronómicos conocidos, como la puesta del Sol/Salida del sol y la puesta de la Luna/Salida de la luna. Pero después de solo una o dos semanas en las Américas, estaba claro que el reloj no estaba manteniendo el tiempo correctamente., El primer reloj en América fue un completo fracaso, pero eso es solo el comienzo de una historia que revolucionaría nuestra comprensión de la física del planeta Tierra.

durante miles de años, los científicos no tenían mejor método para mantener el tiempo que el antiguo reloj de sol. Pero a partir de principios de 1600, las investigaciones de Galileo sobre el péndulo oscilante — y, en particular, su observación de que el período de un péndulo estaba determinado únicamente por su longitud — llevaron a la idea de que un péndulo podría teóricamente ser utilizado como un reloj. Galileo discutió la idea en 1637, y aunque murió en 1642, la idea vivido.,

en 1656, Christiaan Huygens inventó el primer reloj de péndulo en funcionamiento, que era primitivo y revolucionario en varios aspectos. Durante las siguientes décadas, se hicieron refinamientos que mejoraron aún más el reloj de péndulo, incluyendo:

• acortando el oscilación para que solo ocurriera en ángulos estrechos, aumentando su precisión,
• aumentando la longitud del péndulo y poniendo una masa pesada en el extremo, lo que aumentó la longevidad del reloj,
• estandarizando una longitud de 0.,994 metros para el péndulo, lo que significaba que cada «oscilación» de un lado al otro duraba exactamente un segundo,
• y la adición de una aguja de minutos, ya que los relojes eran lo suficientemente precisos para que las fracciones de una hora, Hasta el minuto, fueran ahora cantidades significativas para discutir.

todas estas innovaciones se habían hecho antes de 1700: un conjunto notable de avances en un corto período de tiempo. La principal «fuente de error» conocida que ocurrió con estos relojes de péndulo se debió a los cambios de temperatura: la longitud del péndulo aumentaría o disminuiría a medida que los materiales de los que estaban hechos se expandían o se contraían con la temperatura., Al desarrollar un péndulo compensado por temperatura, donde el período de un oscilación no cambiaba incluso como lo hizo la temperatura, Los relojes de péndulo podrían ser precisos en solo unos segundos por semana. El primer reloj construido en Estados Unidos no ocurriría durante muchas décadas después de ese avance, por lo que se importaron los primeros dispositivos de cronometraje estadounidenses.

Por eso fue un rompecabezas cuando el primer reloj de péndulo fue traído de Europa a América. El reloj, construido y calibrado en los Países Bajos, era exquisitamente preciso., Los tiempos de puesta del Sol/Salida del sol y puesta de la Luna / Salida de la luna fueron precisos durante semanas, con estrellas que salen y se establecen dentro de un minuto de la hora prevista sin ninguna calibración durante aproximadamente un mes completo. Pero una vez que ese reloj llegó a Estados Unidos, fue herida, y comenzó a hacer tictac, todo comenzó a ir mal.

en una sola semana, la gente notó que el sol y la Luna no estaban saliendo o poniéndose a las horas previstas, de acuerdo con este nuevo reloj. Además, el desajuste empeoraba con cada día que pasaba., Mientras que se suponía que el reloj debía ser preciso, en ese momento, en aproximadamente 2 segundos por día, o aproximadamente 15 segundos por semana, estaba funcionando lento en más de 30 segundos por día. Al final de la primera semana, estaba apagado por casi 5 minutos.

claramente, concluyeron, el reloj debe haber sufrido algún daño durante el viaje transatlántico que fue necesario para transportar el reloj de Europa a las Américas. Así que hicieron lo único que sabían hacer: enviaron el reloj al fabricante para su reparación., Después de otro viaje transatlántico, donde el reloj fue devuelto desde las Américas a los Países Bajos. Cuando llegó, enrollaron el reloj, observaron su tic-tac y lo compararon con todas las otras formas que conocían para mantener el tiempo: con otros relojes, Relojes de sol, y con la salida y puesta de los objetos celestes.

a menos de 2 segundos por día, el reloj era perfectamente preciso.

esta experiencia enloquecedora es familiar para cualquiera que haya estado alguna vez en un escenario donde su automóvil está haciendo algo que sabe que no debería estar haciendo: hacer un sonido divertido, manejarlo incorrectamente, calentarse demasiado, etc., Observe el problema, lo lleve a un mecánico, y tan pronto como llegue a la mecánica, el coche comienza a comportarse como si nada está mal. El problema omnipresente que has estado experimentando constantemente se resuelve repentinamente cuando llegas a la única persona que podría diagnosticarlo y solucionarlo. Sin embargo, tan pronto como se aleja, inevitablemente comienza a tener ese problema de nuevo.

si hubieran enviado ese reloj de vuelta a las Américas desde Europa, habrían visto exactamente el mismo fenómeno ocurrir., El reloj-que mantuvo la hora exquisitamente precisa en Europa-habría comenzado a funcionar a un ritmo incorrecto en las Américas una vez más. La razón habría sido totalmente oscura para cualquiera que viviera en la época de Galileo, pero comenzó a tener sentido una vez que empezamos a entender cómo funcionaba la gravitación.

aquí en la Tierra, la fuerza gravitacional es lo que impulsa el balanceo de un péndulo. Si mueve un péndulo un poco lejos de su posición de equilibrio, la fuerza de gravedad es lo que lo tira hacia atrás hacia la posición de equilibrio., Es cierto que el período del péndulo está relacionado con la longitud del péndulo: si quieres duplicar el período, necesitas cuadruplicar la longitud. (Un péndulo de 0.994 metros de largo tardará dos segundos en regresar a su posición inicial; un péndulo de 0.2485 metros de largo tardará 1 segundo en regresar a su posición inicial; uno de 3.974 metros de largo tardará 4 segundos en regresar a su posición inicial, etc.)

pero asumimos erróneamente, antes de que Newton llegara, que la gravedad funcionaba de la misma manera en todas partes en la superficie de la Tierra., Pero la forma en que funciona la gravitación es que te atrae al centro de la tierra, así como toda la masa del planeta te atrae. Debido a que la Tierra gira sobre su eje, sobresale en su ecuador y se comprime en los polos. El efecto es leve pero aún sustancial, y significa que alguien en uno de los polos de la Tierra está más cerca del centro de la tierra que alguien en el Ecuador.

Si alguna vez has tomado una clase de física, es posible que hayas aprendido que todos los objetos se aceleran «hacia abajo» a 9.8 m/s2 bajo la influencia de la gravedad, lo que significa que si dejas caer un objeto de reposo y descuidas la resistencia del aire, entonces se acelerará, en la dirección hacia abajo, en 9.8 m / s (aproximadamente 32 pies por segundo) por cada segundo que cae., ¡Y eso es verdad! Dondequiera que vayas, en la superficie de la Tierra, tendrá esa misma aceleración hacia abajo, hacia el Centro de la Tierra: 9.8 m / s2.

pero todavía no es cierto si vas a la tercera cifra significativa: a lo que comúnmente se cita como 9.81 m/s2. En los polos, donde estás más cerca del centro de la Tierra, la aceleración gravitacional es un poco mayor que el promedio: 9.83 m / s2. En el ecuador, donde estás más lejos del centro de la Tierra, la aceleración gravitacional es un poco más pequeña que la media: 9.78 m / s2. Estos efectos son pequeños, pero con el tiempo suficiente, se sumarán.,

aunque pensamos que las áreas más pobladas de Europa y América del Norte están aproximadamente en las mismas latitudes, ese no es el caso. Ámsterdam, la ciudad más poblada de los Países Bajos, se encuentra a 52 ° n de latitud. Boston, que era la ciudad más grande tan al norte como lo fue en las Américas, está 10° más al sur: a 42° n de latitud. Otros grandes centros de población en las Américas estaban aún más al sur, más cerca del ecuador, exacerbando esa diferencia.,

Los cambios de elevación también pueden hacer una diferencia, con las ubicaciones de tierras bajas cerca de los polos que tienen las aceleraciones más altas en la tierra de hasta 9.834 m/s2, mientras que las cadenas montañosas altas cerca del ecuador conducen a la aceleración medida más baja: 9.764 m/s2. Sin embargo, el problema de latitud es particularmente importante cuando se trata de cronometraje, y podemos ver esto simplemente haciendo un cálculo simple.

imaginemos que hemos construido un reloj de péndulo donde el péndulo tiene exactamente 0.994 metros de longitud: lo que se conoce como un péndulo de segundos., Cada media oscilación del péndulo debe tomar precisamente 1 segundo, y ya que sabemos que hay 86.400 segundos en un día de 24 horas, sabemos-en teoría-Cómo medir un día. Esto es lo bien que lo haríamos midiendo 43,200 oscilaciones de este péndulo, dependiendo de nuestro valor local de la aceleración de la Tierra:

calibrar correctamente un reloj de péndulo — como ahora sabemos — significa garantizar que tenga la longitud adecuada para la aceleración gravitacional en su ubicación particular.,

El reloj de péndulo, posiblemente, fue la primera indicación experimental que tuvimos de que la gravedad no es uniforme sobre la superficie de la Tierra. Incluso antes de los avances de Isaac Newton, se sabía que un péndulo — si el swing es pequeño, la resistencia del aire es insignificante, y la temperatura y la longitud permanecen constantes — siempre toma la misma cantidad de tiempo para completar un swing completo., Pero el tiempo que tarda un péndulo en oscilar varía sobre la superficie de la Tierra, no solo con la longitud, sino con otros dos factores: altitud y latitud.

fue una pista importante hacia un hecho que ahora damos por sentado: que la atracción gravitacional de la Tierra depende de su distancia al centro de nuestro planeta, en lugar de ser uniforme sobre toda la superficie. El hecho de que la Tierra gira sobre su eje, y que la rotación hace que el Ecuador sobresalga en comparación con los polos, significa que un péndulo tarda más en completar una oscilación a medida que la gravedad se debilita., Cualquier reloj de péndulo, por lo tanto, debe ser calibrado para el campo gravitacional de exactamente donde usted está. El primer reloj en las Américas fue una demostración espectacular de este efecto, con la causa subyacente siendo la Ley de la gravedad misma!