Il primo orologio in America è fallito, e ha contribuito a rivoluzionare la fisica

Per quasi tre secoli, il modo più accurato in cui l’umanità ha tenuto traccia del tempo è stato attraverso l’orologio a pendolo. Dal suo sviluppo iniziale nel 17 ° secolo fino all’invenzione degli orologi al quarzo nel 1920, gli orologi a pendolo divennero punti fermi della vita domestica, consentendo alle persone di organizzare i loro orari secondo uno standard universalmente concordato., Inizialmente inventati nei Paesi Bassi da Christian Huygens nel lontano 1656, i loro primi disegni furono rapidamente perfezionati per aumentare notevolmente la loro precisione.

Ma quando il primo orologio a pendolo fu portato nelle Americhe, accadde qualcosa di bizzarro. L’orologio, che aveva funzionato perfettamente nel mantenere l’ora esatta in Europa, poteva essere sincronizzato con fenomeni astronomici noti, come tramonto/alba e tramonto della luna/sorgere della luna. Ma dopo solo una settimana o due nelle Americhe, era chiaro che l’orologio non manteneva il tempo correttamente., Il primo orologio in America è stato un completo fallimento, ma questo è solo l’inizio di una storia che avrebbe rivoluzionato la nostra comprensione della fisica del pianeta Terra.

Per migliaia di anni, gli scienziati non hanno avuto un metodo migliore per mantenere il tempo rispetto all’antica meridiana. Ma a partire dai primi anni del 1600, le indagini di Galileo sul pendolo oscillante — e, in particolare, la sua osservazione che il periodo di un pendolo era determinato esclusivamente dalla sua lunghezza — portarono all’idea che un pendolo potesse teoricamente essere usato come un orologio. Galileo discusse l’idea nel 1637, e anche se morì nel 1642, l’idea sopravvisse.,

Nel 1656, Christiaan Huygens inventò il primo orologio a pendolo funzionante, che era sia primitivo che rivoluzionario in diversi modi. Nel corso dei decenni successivi, sono stati fatti perfezionamenti che hanno migliorato ulteriormente l’orologio a pendolo, tra cui:

• accorciando l’oscillazione in modo che si verificasse solo per angoli stretti, aumentando la sua precisione,
• aumentando la lunghezza del pendolo e mettendo una massa pesante all’estremità, che ha aumentato la longevità dell’orologio,
• standardizzando,994 metri per il pendolo, il che significava che ogni “oscillazione” da un lato all’altro durava esattamente un secondo,
• e l’aggiunta di una lancetta dei minuti, poiché gli orologi erano ora abbastanza precisi in modo che le frazioni di un’ora, fino al minuto, fossero ora quantità significative da discutere.

Tutte queste innovazioni erano state fatte prima del 1700: un notevole insieme di progressi in un breve lasso di tempo. La principale “fonte di errore” nota che si verificava con questi orologi a pendolo era dovuta a cambiamenti di temperatura: la lunghezza del pendolo aumentava o diminuiva man mano che i materiali di cui erano fatti si espandevano o si contrassero con la temperatura., Sviluppando un pendolo compensato in temperatura-dove il periodo di un’oscillazione non è cambiato nemmeno come la temperatura-gli orologi a pendolo potrebbero essere precisi in pochi secondi a settimana. Il primo orologio americano costruito non si sarebbe verificato per molti decenni dopo tale anticipo, e così i primi dispositivi di cronometraggio americani sono stati importati.

Che è il motivo per cui è stato un tale puzzle quando il primo orologio a pendolo è stato portato dall’Europa in America. L’orologio, costruito e calibrato nei Paesi Bassi, era squisitamente preciso., I tempi di tramonto / alba e tramonto della luna / sorgere della luna sono stati accurati per settimane, con stelle che si alzano e si impostano entro un minuto dal tempo previsto senza alcuna calibrazione per circa un mese intero. Ma una volta che l’orologio è arrivato in America, è stato ferito, e ha cominciato a ticchettare, tutto ha cominciato ad andare storto.

In una sola settimana, la gente ha notato che il Sole e la Luna non stavano sorgendo o tramontando agli orari previsti, secondo questo nuovo orologio. Inoltre, la mancata corrispondenza stava peggiorando ogni giorno che passava., Mentre l’orologio doveva essere preciso — al momento-a circa 2 secondi al giorno, o circa 15 secondi a settimana, correva lento di oltre 30 secondi al giorno. Alla fine della prima settimana, era spento di quasi 5 minuti.

Chiaramente, hanno concluso, l’orologio deve aver subito alcuni danni durante il viaggio transatlantico che è stato necessario per trasportare l’orologio dall’Europa alle Americhe. Così hanno fatto l’unica cosa che sapevano fare: rimandano l’orologio al produttore per la riparazione., Dopo un altro viaggio transatlantico, dove l’orologio è stato restituito dalle Americhe ai Paesi Bassi. Quando arrivò, ferirono l’orologio, ne osservarono il ticchettio e lo paragonarono a tutti gli altri modi che conoscevano per mantenere il tempo: ad altri orologi, alle meridiane e al sorgere e tramontare degli oggetti celesti.

Per entro 2 secondi al giorno, l’orologio era perfettamente preciso.

Questa esperienza esasperante è familiare a chiunque sia mai stato in uno scenario in cui la tua auto sta facendo qualcosa che sai che non dovrebbe fare: fare un suono divertente, maneggiare in modo improprio, diventare troppo caldo, ecc., Si nota il problema, si prende ad un meccanico, e non appena si arriva al meccanico, la macchina inizia a comportarsi come se nulla è sbagliato. Il problema onnipresente che hai vissuto costantemente si risolve improvvisamente quando arrivi all’unica persona che potrebbe diagnosticarlo e risolverlo. Eppure, non appena si allontana, inevitabilmente inizia ad avere di nuovo quel problema.

Se avessero rispedito quell’orologio nelle Americhe dall’Europa, avrebbero visto accadere esattamente gli stessi fenomeni., L’orologio — che ha mantenuto il tempo squisitamente preciso in Europa — avrebbe iniziato a funzionare al ritmo sbagliato nelle Americhe, ancora una volta. La ragione sarebbe stata totalmente oscura per chiunque vivesse al tempo di Galileo, ma ha cominciato ad avere senso una volta che abbiamo iniziato a capire come funzionava la gravitazione.

Qui sulla Terra, la forza gravitazionale è ciò che guida l’oscillazione di un pendolo. Se si sposta un pendolo solo un po ‘ lontano dalla sua posizione di equilibrio, la forza di gravità è ciò che lo tira indietro verso la posizione di equilibrio., È vero che il periodo del pendolo è correlato alla lunghezza del pendolo: se vuoi raddoppiare il periodo, devi quadruplicare la lunghezza. (Un pendolo lungo 0,994 metri impiegherà due secondi per tornare alla sua posizione di partenza; un pendolo lungo 0,2485 metri impiegherà 1 secondo per tornare alla sua posizione di partenza; uno lungo 3,974 metri impiegherà 4 secondi per tornare alla sua posizione di partenza, ecc.)

Ma abbiamo erroneamente ipotizzato, prima che Newton arrivasse, che la gravità funzionasse allo stesso modo ovunque sulla superficie della Terra., Ma il modo in cui funziona la gravitazione è che ti attrae al centro della Terra, così come l’intera massa del pianeta ti attrae. Poiché la Terra gira sul suo asse, si rigonfia all’equatore e si comprime ai poli. L’effetto è lieve ma comunque sostanziale, e significa che qualcuno in uno dei poli della Terra è più vicino al centro della Terra di qualcuno all’equatore.

Se avete mai preso una classe di fisica, si potrebbe avere imparato che tutti gli oggetti accelerare “verso il basso” a 9,8 m/s2 sotto l’influenza della gravità, il che significa che se si trascina un oggetto da una posizione di riposo e di trascurare la resistenza dell’aria, quindi si accelera, dall’alto verso il basso, da 9,8 m/s (circa 32 metri al secondo) per ogni secondo che cade., E questo è vero! Ovunque tu vada, sulla superficie della Terra, avrai la stessa accelerazione verso il basso, verso il centro della Terra: 9,8 m / s2.

Ma non è ancora vero se vai alla terza cifra significativa: a ciò che è comunemente citato come 9.81 m/s2. Ai poli, dove sei più vicino al centro della Terra, l’accelerazione gravitazionale è un po ‘ più grande della media: 9,83 m/s2. All’equatore, dove sei più lontano dal centro della Terra, l’accelerazione gravitazionale è un po ‘ più piccola della media: 9,78 m/s2. Questi effetti sono minuscoli, ma nel tempo sufficiente, si sommeranno.,

Anche se pensiamo che le aree più popolate dell’Europa e del Nord America siano all’incirca alle stesse latitudini, non è proprio così. Amsterdam, la città più popolosa dei Paesi Bassi, si trova a 52 ° N di latitudine. Boston, che era la città più grande a nord come era nelle Americhe, è un pieno 10° più a sud: a 42 ° N di latitudine. Altri grandi centri abitati nelle Americhe erano ancora più a sud, più vicino all’equatore, esacerbando questa differenza.,

I cambiamenti di elevazione possono anche fare la differenza, con le posizioni di pianura vicino ai poli che hanno le più alte accelerazioni sulla Terra fino a 9.834 m/s2, mentre le alte catene montuose vicino all’equatore portano all’accelerazione misurata più bassa: 9.764 m / s2. Tuttavia, il problema della latitudine è particolarmente importante quando si tratta di cronometraggio, e possiamo vedere questo solo facendo un semplice calcolo.

Immaginiamo di aver costruito un orologio a pendolo in cui il pendolo è esattamente 0,994 metri di lunghezza: ciò che è noto come un pendolo di secondi., Ogni mezza oscillazione del pendolo dovrebbe prendere esattamente 1 secondo, e poiché sappiamo che ci sono 86.400 secondi in un giorno di 24 ore, sappiamo — in teoria — come misurare un giorno. Ecco quanto bene faremmo misurando 43.200 oscillazioni di questo pendolo, a seconda del nostro valore locale dell’accelerazione terrestre:

Calibrare correttamente un orologio a pendolo — come ora sappiamo — significa garantire che abbia la lunghezza corretta per l’accelerazione gravitazionale nella sua particolare posizione.,

L’orologio a pendolo, probabilmente, è stata la prima indicazione sperimentale che abbiamo avuto che la gravità non è uniforme sulla superficie della Terra. Anche prima dei progressi di Isaac Newton, era noto che un pendolo — se l’oscillazione è piccola, la resistenza dell’aria è trascurabile e la temperatura e la lunghezza rimangono costanti — richiede sempre la stessa quantità di tempo per completare un’oscillazione completa., Ma il tempo necessario a un pendolo per oscillare varia sulla superficie della Terra, non solo con la lunghezza, ma con altri due fattori: altitudine e latitudine.

Era un suggerimento importante verso un fatto che ora diamo per scontato: che l’attrazione gravitazionale dalla Terra dipende dalla tua distanza dal centro del nostro pianeta, piuttosto che essere uniforme su tutta la superficie. Il fatto che la Terra ruoti sul suo asse e che la rotazione faccia rigonfiare l’equatore rispetto ai poli, significa che un pendolo impiega più tempo per completare un’oscillazione quando la gravità si indebolisce., Qualsiasi orologio a pendolo, quindi, deve essere calibrato al campo gravitazionale di esattamente dove ti trovi. Il primo orologio nelle Americhe è stata una spettacolare dimostrazione di questo effetto, con la causa sottostante è la legge di gravità stessa!