アメリカの最初の時計は失敗し、物理学に革命をもたらしました

ほぼ三世紀にわたって、人類が時間を追跡していた最も正確な方法は振り子時計でした。 17世紀の最初の開発から1920年代のクォーツ時計の発明まで、振り子時計は家庭生活のステープルとなり、普遍的に合意された標準に従ってスケジュールを整理することができるようになりました。, 最初は1656年にChristian Huygensによってオランダで発明されましたが、初期のデザインはすぐに精度を大幅に向上させるために洗練されました。

しかし、最初の振り子時計がアメリカに持ち込まれたとき、奇妙なことが起こりました。 ヨーロッパで正確な時間を保つのに完璧にうまく機能していた時計は、日没/日の出や月の入り/月の出のような既知の天文現象と同期することができ しかし、アメリカでわずか一週間か二週間の後、時計が適切に時間を維持していなかったことは明らかでした。, アメリカの最初の時計は完全な失敗でしたが、それは惑星地球の物理学の理解に革命をもたらす物語の始まりに過ぎません。

何千年もの間、科学者は古代の日時計よりも時間を保つためのより良い方法を持っていませんでした。 しかし、1600年代初頭から、振り子の揺れに関するガリレオの調査、特に振り子の周期はその長さによってのみ決定されるという彼の観察は、振り子が理論的には時計として使用できるという考えにつながった。 ガリレオは1637年にこのアイデアを議論し、1642年に死亡したが、そのアイデアは存続した。,

1656年、Christiaan Huygensは最初の作業振り子時計を発明しました。 その後数十年にわたって、振り子時計をさらに改善するための改良が行われ、

• 狭い角度でのみ発生するように振り子を短くし、精度を高める、
• 振り子の長さを長くし、端に重い質量を置く、時計の寿命を長くする、
• 長さを0に標準化するなどが行われた。,振り子のための994メートルは、一方の側から他方の側へのそれぞれの”スイング”が正確に一秒続いたことを意味し、
• そして分針の追加は、時計が今十分に正確であったので、時間の分数は分まで、今議論する意味のある量であった。

これらのイノベーションはすべて1700年以前に行われていました。 これらの振り子時計で発生した主な既知の”誤差の原因”は、温度変化によるものであり、振り子の長さは、温度とともに膨張または収縮して作られた材料として増加または減少するであろう。, 温度補償された振り子を開発することによって-スイングの周期は、温度がしたとしても変化しなかった—振り子時計は、週にわずか数秒以内に正確であることができます。 最初のアメリカ製の時計は、その進歩の後何十年も起こらなかったので、最初のアメリカの計時装置が輸入されました。

だからこそ、最初の振り子時計がヨーロッパからアメリカに持ち込まれたとき、それはそのようなパズルでした。 オランダで建てられ、校正された時計は、絶妙に正確でした。, 日没/日の出と月の入り/月の出の時間は、星が上昇し、約完全な月のための任意のキャリブレーションなしで予測時間の分以内に設定して、数週間のため しかし、その時計がアメリカに到着し、傷つき、刻々と過ぎ始めると、すべてが間違って行き始めました。

一週間以内に、人々はこの新しい時計によると、太陽と月が予測された時間に上昇または沈んでいないことに気づきました。 さらに、ミスマッチは日を追うごとに悪化していました。, 時計は一日あたり約2秒、または週あたり約15秒以内に正確であることになっていたのに対し、それは一日あたり30秒以上遅く実行されていました。 最初の週の終わりまでに、それはほぼ5分でオフになっていました。

明らかに、彼らは、時計はヨーロッパからアメリカに時計を輸送するために必要とされた大西洋横断の旅の間にいくつかの損傷を受けているに違いないと結論付けました。 だから彼らは彼らが行う方法を知っていた唯一のことをしました：彼らは修理のために時計を製造業者に送り返します。, 別の大西洋横断の旅の後、時計はアメリカからオランダに戻されました。 それが到着したとき、彼らは時計を巻き、その刻々と過ぎることを観察し、時間を保つために知っていた他のすべての方法と比較しました：他の時計、日時計、

一日あたり2秒以内に、時計は完全に正確でした。

この怒った経験は、あなたの車があなたがすべきではないことをしているシナリオにいたことがある人にはよく知られています：面白い音を出したり、不適切, あなたは問題に気づき、整備士にそれを持って行き、整備士に到着するとすぐに、車は何も間違っていないかのように振る舞い始めます。 あなたが絶えず経験してきた遍在する問題は、あなたがそれを診断して修正できる一人の人に到着したときに突然解決されます。 しかし、あなたが追い払うとすぐに、それは必然的にその問題を再び抱え始めます。

もし彼らがヨーロッパからその時計をアメリカに送り返していたら、彼らはまったく同じ現象が起こるのを見ていたでしょう。, ヨーロッパでは絶妙に正確な時間を保っていた時計は、再びアメリカでは間違った速度で走り始めたでしょう。 その理由は、ガリレオの時代に住んでいる人には全くあいまいだったでしょうが、重力がどのように働いたかを理解し始めると、それは理にかなっ

ここで地球上では、重力は振り子の揺れを動かすものです。 振り子を平衡位置から少し離すと、重力が平衡位置に向かって引き戻すことになります。, それは振り子の周期が振り子の長さに関連していることは事実です：あなたが周期を倍にしたい場合は、長さを四倍にする必要があります。 （長さ0.994メートルの振り子は開始位置に戻るのに二秒かかり、長さ0.2485メートルの振り子は開始位置に戻るのに1秒かかり、長さ3.974メートルの振り子は開始位置に戻るのに4秒かかるなど。）

しかし、ニュートンが来る前に、重力が地球の表面のどこでも同じように働いていると誤って仮定しました。, しかし、重力の働き方は、惑星の全体の質量があなたを引き付けるとしても、地球の中心にあなたを引き付けるということです。 地球はその軸上を回転するので、それはその赤道で膨らみ、極で圧縮されます。 効果はわずかですが、まだ実質的であり、それは地球の極の一つの誰かが赤道の誰かよりも地球の中心に近いことを意味します。

物理学の授業を受けたことがあるなら、重力の影響を受けてすべての物体が9.8m/s2で”下向き”に加速することを学んだかもしれません。つまり、物体を静止から落として空気抵抗を無視すると、落下する毎秒9.8m/s（約32フィート/秒）下方向に速度が上がるということです。, そして、それは本当です！ あなたが行くどこでも、地球の表面上で、地球の中心に向かって同じ加速を下に持つことになります：9.8m/s2。

しかし、あなたが第三の有効数字に行くならば、それはまだ真実ではありません：一般的に9.81m/s2として引用されているものに。 あなたが地球の中心に最も近い極では、重力加速度は平均より少し大きくなります：9.83m/s2。 あなたが地球の中心から最も遠い赤道では、重力加速度は平均よりも少し小さくなります：9.78m/s2。 これらの効果は小さいですが、十分な時間をかけて、彼らは追加されます。,

ヨーロッパと北アメリカの最も人口の多い地域はほぼ同じ緯度にあると考えていますが、それはまったくそうではありません。 オランダで最も人口の多い都市であるアムステルダムは、北緯52度にあります。 アメリカ大陸と同じくらい北にある最大の都市であったボストンは、南緯10度で北緯42度である。 アメリカ大陸の他の主要な人口センターは、さらに南にあり、赤道に近く、その違いを悪化させました。,

標高の変化も違いを生む可能性があり、極近くの低地の場所は地球上で最も高い加速度が9.834m/s2までであり、赤道近くの高い山脈は測定された加速度が9.764m/s2である。 しかし、緯度の問題は計時に関しては特に重要であり、簡単な計算を行うだけでこれを見ることができます。

振り子の長さが正確に0.994メートルの振り子時計を作ったとしましょう。, 振り子の各半振りは正確に1秒かかるはずであり、86,400時間の日に24秒があることを知っているので、理論的には日を測定する方法を知っています。 ここでは、地球の加速度のローカル値に応じて、この振り子の43,200スイングを測定することによってどれだけうまくいくかです。

振り子時計を適切に校正することは、その特定の場所での重力加速度に対して適切な長さを持つことを保証することです。,

振り子時計は、間違いなく、重力が地球の表面上で均一ではないことを最初に実験的に示したものでした。 アイザック—ニュートンの進歩の前でさえ、振り子が—振動が小さければ、空気抵抗は無視でき、温度および長さは一定していれば-完全な振動を完了するのに常に同じ時間を取ることが知られていた。, しかし、振り子が揺れるのにかかる時間は、長さだけでなく、高度と緯度の他の二つの要因で、地球の表面にわたって変化します。

地球からの重力の引力は、表面全体に均一であるのではなく、惑星の中心までの距離に依存するという事実に向けた大きなヒントでした。 地球がその軸上を回転し、その回転が極に比べて赤道を膨らませるという事実は、重力が弱くなるにつれて振り子が振動を完了するのに時間がかかることを意味します。, したがって、振り子時計は、あなたがどこにいるのかを正確に重力場に合わせて校正する必要があります。 アメリカ大陸の最初の時計は、重力の法則そのものである根本的な原因とともに、この効果の素晴らしいデモンストレーションでした！