La première horloge en Amérique a échoué, et elle a contribué à révolutionner la physique

pendant près de trois siècles complets, la façon la plus précise dont l’humanité a gardé la trace du temps était à travers l’horloge pendulaire. Depuis son développement initial au 17ème siècle jusqu’à l’invention des montres à quartz dans les années 1920, les pendules à pendule sont devenues des incontournables de la vie domestique, permettant aux gens d’organiser leurs horaires selon une norme universellement convenue., Initialement inventés aux Pays-bas par Christian Huygens en 1656, leurs premiers modèles ont été rapidement affinés pour augmenter considérablement leur précision.

Mais quand la première horloge à pendule a été apportée aux Amériques, quelque chose de bizarre s’est produit. L’horloge, qui avait parfaitement fonctionné pour garder l’heure exacte en Europe, pouvait être synchronisée avec des phénomènes astronomiques connus, comme le coucher du Soleil/lever de la Lune et le coucher de la Lune/Lever de la Lune. Mais après seulement une semaine ou deux dans les Amériques, il était clair que l’horloge ne tenait pas le temps correctement., La première horloge en Amérique a été un échec complet, mais ce n’est que le début d’une histoire qui allait révolutionner notre compréhension de la physique de la planète Terre.

Pendant des milliers d’années, les scientifiques avaient pas de meilleure méthode pour garder le temps que l’ancien cadran solaire. Mais à partir du début des années 1600, les recherches de Galilée sur le pendule oscillant — et, en particulier, son observation que la période d’un pendule était déterminée uniquement par sa longueur — ont conduit à l’idée qu’un pendule pouvait théoriquement être utilisé comme horloge. Galileo discuté de l’idée, en 1637, et bien qu’il soit mort en 1642, l’idée vécu.,

en 1656, Christiaan Huygens invente la toute première pendule de travail, à la fois primitive et révolutionnaire à bien des égards. Au cours des décennies suivantes, des améliorations ont été apportées pour améliorer encore davantage l’horloge pendulaire, notamment:

• raccourcir le balancement de sorte qu’il ne se produise que pour des angles étroits, augmenter sa précision,
• augmenter la longueur du pendule et mettre une masse lourde sur l’extrémité, ce qui a augmenté la longévité de,994 mètres pour le pendule, ce qui signifiait que chaque « oscillation” d’un côté à l’autre durait exactement une seconde,
• et l’ajout d’une aiguille des minutes, car les horloges étaient maintenant assez précises pour que des fractions d’heure, jusqu’à la minute, soient maintenant des quantités significatives à discuter.

toutes ces innovations avaient été faites avant 1700: un ensemble remarquable de progrès en peu de temps. La principale « source d’erreur » connue qui s’est produite avec ces horloges à pendule était due aux changements de température: la longueur du pendule augmentait ou diminuait à mesure que les matériaux dont ils étaient faits se dilataient ou se contractaient avec la température., En développant un pendule à compensation de température-où la période d’une oscillation ne changeait pas, même si la température le faisait — les horloges à pendule pouvaient être précises en quelques secondes par semaine. La première horloge construite aux États-Unis ne se produirait pas avant de nombreuses décennies après cette avancée, et les premiers appareils de chronométrage Américains ont donc été importés.

c’est pourquoi c’était un tel casse-tête lorsque la première horloge à pendule a été apportée d’Europe en Amérique. L’horloge, construite et calibrée aux Pays-Bas, était d’une précision exquise., Les heures de coucher et de lever de la Lune et de lever de la Lune étaient précises pendant des semaines, les étoiles se levant et se couchant à moins d’une minute de l’heure prévue sans aucun étalonnage pendant environ un mois complet. Mais une fois que cette horloge est arrivée en Amérique, a été blessée et a commencé à tourner, tout a commencé à mal tourner.

en une semaine, les gens ont remarqué que le soleil et la Lune ne se levaient pas ou ne se couchaient pas aux heures prévues, selon cette nouvelle horloge. De plus, le décalage s’aggravait chaque jour qui passait., Alors que l’horloge était censée être précise — à l’époque — à environ 2 secondes par jour, soit environ 15 secondes par semaine, elle fonctionnait lentement de plus de 30 secondes par jour. À la fin de la première semaine, il était éteint de près de 5 minutes.

de toute évidence, ils ont conclu que l’horloge devait avoir subi des dommages pendant le voyage transatlantique qui était nécessaire pour transporter l’horloge de L’Europe aux Amériques. Ils ont donc fait la seule chose qu’ils savaient faire: ils renvoient l’horloge au fabricant pour réparation., Après un autre voyage transatlantique, où l’horloge a été renvoyée des Amériques aux Pays-Bas. Quand il arriva, ils remontèrent l’horloge, observèrent son tic-tac, et la comparèrent à toutes les autres façons qu’ils connaissaient de garder le temps: aux autres horloges, aux cadrans solaires, et au lever et au coucher des objets célestes.

à moins de 2 secondes par jour, l’horloge était parfaitement précise.

Cette expérience affolante est familière à tous ceux qui ont déjà été dans un scénario où votre voiture fait quelque chose que vous savez qu’elle ne devrait pas faire: faire un son drôle, manipuler mal, faire trop chaud, etc., Vous remarquez le problème, vous l’apportez à un mécanicien, et dès que vous arrivez chez le mécanicien, la voiture commence à se comporter comme si rien ne clochait. Le problème omniprésent que vous rencontrez constamment se résout soudainement lorsque vous arrivez à la seule personne qui pourrait le diagnostiquer et le réparer. Pourtant, dès que vous conduisez loin, il commence inévitablement à avoir ce problème à nouveau.

s’ils avaient envoyé cette horloge aux Amériques depuis L’Europe, ils auraient vu exactement les mêmes phénomènes se produire., L’horloge-qui gardait l’heure d’une précision exquise en Europe — aurait recommencé à fonctionner au mauvais rythme dans les Amériques. La raison aurait été totalement obscure pour quiconque vivait à L’époque de Galilée, mais cela a commencé à avoir un sens une fois que nous avons commencé à comprendre comment la gravitation fonctionnait.

ici, sur Terre, la force gravitationnelle est ce qui entraîne le balancement d’un pendule. Si vous déplacez un pendule juste un peu loin de sa position d’équilibre, la force de gravité est ce qui le ramène vers la position d’équilibre., Il est vrai que la période du pendule est liée à la longueur du pendule: si vous voulez doubler la période, vous devez quadrupler la longueur. (Un pendule de 0,994 mètre de long prendra deux secondes pour revenir à sa position de départ; un pendule de 0,2485 mètre de long prendra 1 seconde pour revenir à sa position de départ; un de 3,974 mètres de long prendra 4 secondes pour revenir à sa position de départ, etc.)

Mais nous avons supposé à tort, avant L’arrivée de Newton, que la gravité fonctionnait de la même manière partout à la surface de la Terre., Mais la façon dont la gravitation fonctionne est qu’elle vous attire au centre de la Terre, même si toute la masse de la planète vous attire. Parce que la Terre tourne sur son axe, elle se gonfle à son équateur et se comprime aux pôles. L’effet est léger, mais encore importante, et cela signifie que quelqu’un à l’un des pôles de la Terre est plus proche du centre de la Terre de quelqu’un à l’équateur.

Si vous avez déjà suivi un cours de physique, vous avez peut-être appris que tous les objets accélèrent « vers le bas” à 9,8 m/s2 sous l’influence de la gravité, ce qui signifie que si vous laissez tomber un objet du repos et négligez la résistance de l’air, il accélérera, dans la direction descendante, de 9,8 m / s (environ 32 pieds par seconde) pour chaque seconde qu’il tombe., Et c’est vrai! Partout où vous allez, sur la surface de la Terre, aura la même accélération vers le bas, vers le centre de la Terre: 9.8 m/s2.

Mais ce n’est pas encore vrai si vous allez au troisième chiffre significatif: à ce qui est communément cité comme 9.81 m/s2. Aux pôles, où vous êtes le plus proche du Centre de la Terre, l’accélération gravitationnelle est un peu plus grande que la moyenne: 9,83 m/s2. À l’équateur, où vous êtes le plus éloigné du centre de la Terre, l’accélération gravitationnelle est un peu plus petite que la moyenne: 9,78 m/s2. Ces effets sont minuscules, mais avec assez de temps, ils vont s’additionner.,

bien que nous pensions que les régions les plus peuplées d’Europe et D’Amérique du Nord se trouvent à peu près aux mêmes latitudes, ce n’est pas tout à fait le cas. Amsterdam, la ville la plus peuplée des Pays-bas, se trouve à 52° de latitude nord. Boston, qui était la plus grande ville aussi loin au nord que dans les Amériques, est un plein 10° plus au sud: à 42° de latitude nord. D’autres grands centres de population dans les Amériques étaient encore plus au sud, plus près de l’Équateur, exacerbant cette différence.,

Les changements D’altitude peuvent également faire une différence, avec des endroits de plaine près des pôles ayant les accélérations les plus élevées sur Terre jusqu’à 9.834 m/s2, tandis que les chaînes de montagnes élevées près de l’Équateur conduisent à l’accélération mesurée la plus faible: 9.764 m/s2. Cependant, le problème de latitude est particulièrement important en matière de chronométrage, et nous pouvons le voir simplement en faisant un simple calcul.

imaginons que nous avons construit une horloge à pendule où le pendule mesure exactement 0,994 mètre de longueur: ce qu’on appelle un pendule de secondes., Chaque demi-oscillation du pendule devrait prendre précisément 1 seconde, et puisque nous savons qu’il y a 86 400 secondes dans une journée de 24 heures, nous savons — en théorie — Comment mesurer une journée. Voici comment nous ferions en mesurant 43 200 oscillations de ce pendule, en fonction de notre valeur locale de l’accélération de la Terre:

calibrer correctement une horloge pendulaire — comme nous le savons maintenant — signifie s’assurer qu’elle a la longueur appropriée pour l’accélération gravitationnelle à son emplacement particulier.,

l’horloge à pendule, sans doute, était la première indication expérimentale que nous avions que la gravité n’est pas uniforme sur la surface de la Terre. Même avant les progrès D’Isaac Newton, On savait qu’un pendule — si le balancement est petit, la résistance de l’air est négligeable et la température et la longueur restent constantes — prend toujours le même temps pour terminer un balancement complet., Mais le temps qu’il faut à un pendule pour se balancer varie sur la surface de la terre, non seulement avec la longueur, mais avec deux autres facteurs: l’altitude et la latitude.

c’était un indice majeur vers un fait que nous tenons maintenant pour acquis: que l’attraction gravitationnelle de la Terre dépend de votre distance au centre de notre planète, plutôt que d’être uniforme sur toute la surface. Le fait que la Terre tourne sur son axe, et que la rotation provoque le renflement de l’Équateur par rapport aux pôles, signifie qu’un pendule prend plus de temps pour terminer une oscillation à mesure que la gravité s’affaiblit., Toute horloge pendulaire, par conséquent, doit être calibrée au champ gravitationnel de exactement où vous êtes. La première horloge des Amériques a été une démonstration spectaculaire de cet effet, la cause sous-jacente étant la loi de la gravité elle-même!