De eerste klok in Amerika faalde, en het hielp bij een revolutie in de fysica

gedurende bijna drie volle eeuwen was de meest nauwkeurige manier waarop de mensheid de tijd bijhield door de pendulumklok. Vanaf de eerste ontwikkeling in de 17e eeuw tot de uitvinding van Kwarts uurwerken in de jaren 1920, pendelklokken werden nietjes van het huishoudelijk leven, waardoor mensen hun schema ‘ s te organiseren volgens een universeel overeengekomen standaard., Oorspronkelijk uitgevonden in Nederland door Christian Huygens helemaal terug in 1656, werden hun vroege ontwerpen snel verfijnd om hun precisie sterk te verhogen.

maar toen de eerste pendulumklok naar Amerika werd gebracht, gebeurde er iets bizars. De klok, die perfect had gewerkt bij het bijhouden van nauwkeurige tijd in Europa, kon worden gesynchroniseerd met bekende astronomische verschijnselen, zoals zonsondergang/zonsopgang en Maansondergang/maansopgang. Maar na slechts een week of twee in Amerika, was het duidelijk dat de klok de tijd niet goed bijhield., De eerste klok in Amerika was een complete mislukking, maar dat is nog maar het begin van een verhaal dat ons begrip van de fysica van de planeet Aarde zou veranderen.

gedurende duizenden jaren hadden wetenschappers geen betere methode voor het bijhouden van de tijd dan de oude zonnewijzer. Maar vanaf de vroege jaren 1600, Galileo ‘ s onderzoek naar de slinger — en, in het bijzonder, zijn observatie dat de periode van een slinger werd uitsluitend bepaald door de lengte — leidde tot het idee dat een slinger theoretisch kon worden gebruikt als een klok. Galileo besprak het idee in 1637, en hoewel hij stierf in 1642, leefde het idee voort., in 1656 vond Christiaan Huygens de allereerste werkende pendelklok uit, die zowel primitief als revolutionair was. In de loop van de volgende decennia werden verfijningen gemaakt die de pendelklok nog verder verbeterden, waaronder:

• verkorten van de swing zodat deze alleen voor smalle hoeken optrad, de nauwkeurigheid verhogen,
• de lengte van de slinger verhogen en een zware massa aan het uiteinde plaatsen, waardoor de levensduur van de klok toeneemt,
• standaardiseren van een lengte van 0.,994 meter voor de slinger, wat betekende dat elke “swing” van de ene kant naar de andere precies één seconde duurde,
• en de toevoeging van een minutenwijzer, omdat de klokken nu nauwkeurig genoeg waren zodat fracties van een uur, tot op de minuut, nu betekenisvolle hoeveelheden waren om te bespreken.

al deze innovaties waren vóór 1700 gemaakt: een opmerkelijke reeks vorderingen in een korte tijd. De belangrijkste bekende “bron van fout” die zich voordeed met deze pendelklokken was te wijten aan temperatuurveranderingen: de lengte van de slinger zou toenemen of afnemen als de materialen die ze waren gemaakt van geëxpandeerd of gecontracteerd met de temperatuur., Door het ontwikkelen van een temperatuurgecompenseerde slinger-waar de periode van een schommeling niet veranderde, zelfs als de temperatuur dat deed — konden de pendelklokken binnen enkele seconden per week nauwkeurig zijn. De eerste in Amerika gebouwde klok zou nog vele decennia na die vooruitgang niet meer voorkomen, en dus werden de eerste Amerikaanse tijdwaarneming apparaten geïmporteerd.

daarom was het zo ‘ n puzzel toen de eerste pendelklok van Europa naar Amerika werd gebracht. De klok, gebouwd en gekalibreerd in Nederland, was prachtig nauwkeurig., De tijden van zonsondergang/zonsopgang en Maansondergang / maansopkomst waren weken nauwkeurig, met sterren die binnen een minuut na de voorspelde tijd opkwamen en ondergingen zonder enige kalibratie gedurende ongeveer een volledige maand. Maar toen die klok in Amerika aankwam, werd hij gewond en begon te tikken, begon alles mis te gaan.

binnen een week merkten mensen dat de zon en de maan niet op of onder gingen op de voorspelde tijden, volgens deze nieuwe klok. Bovendien werd de mismatch met elke dag erger., Terwijl de klok nauwkeurig moest zijn — op het moment — tot binnen ongeveer 2 seconden per dag, of ongeveer 15 seconden per week, liep hij langzaam met meer dan 30 seconden per dag. Tegen het einde van de eerste week was het bijna 5 minuten weg.zij concludeerden duidelijk dat de klok enige schade moet hebben geleden tijdens de trans-Atlantische reis die nodig was om de klok van Europa naar Amerika te vervoeren. Dus deden ze het enige wat ze konden: ze stuurden de klok terug naar de fabrikant voor reparatie., Na een andere trans-Atlantische reis, waar de klok werd teruggebracht van Amerika naar Nederland. Toen hij aankwam, wonden ze de klok, zagen hoe hij tikte en vergeleken hem met alle andere manieren waarop hij de tijd kon bijhouden: met andere klokken, zonnewijzers en het opkomen en ondergaan van hemellichamen.

binnen 2 seconden per dag was de klok perfect nauwkeurig.

deze gekmakende ervaring is bekend bij iedereen die ooit in een scenario is geweest waarin je auto iets doet waarvan je weet dat het niet zou moeten doen: een grappig geluid maken, onjuist omgaan, te warm worden, enz., Je merkt het probleem, je neemt het mee naar een monteur, en zodra je bij de monteur aankomt, begint de auto zich te gedragen alsof er niets aan de hand is. Het alomtegenwoordige probleem dat je voortdurend hebt ervaren lost zichzelf plotseling op wanneer je aankomt bij de enige persoon die het kon diagnosticeren en oplossen. Maar zodra je wegrijdt, begint het onvermijdelijk weer dat probleem te hebben.

als ze die klok vanuit Europa naar Amerika hadden gestuurd, hadden ze precies dezelfde verschijnselen gezien., De klok-die prachtig nauwkeurige tijd in Europa hield-zou opnieuw in het verkeerde tempo in de Amerika ‘ s zijn begonnen te lopen. De reden zou totaal onbekend zijn geweest voor iedereen die leefde in de tijd van Galileo, maar het begon logisch te worden toen we begonnen te begrijpen hoe zwaartekracht werkte.

Hier op aarde is de zwaartekracht wat het slingeren van een slinger drijft. Als je een slinger een klein beetje van zijn evenwichtspositie verwijdert, trekt de zwaartekracht hem terug naar de evenwichtspositie., Het is waar dat de periode van de slinger gerelateerd is aan de lengte van de slinger: als je de periode wilt verdubbelen, moet je de lengte verviervoudigen. (Een slinger die 0.994 meter lang is zal twee seconden nodig hebben om terug te keren naar zijn startpositie; een slinger die 0.2485 meter lang is zal 1 seconde nodig hebben om terug te keren naar zijn startpositie; een slinger die 3.974 meter lang is zal 4 seconden nodig hebben om terug te keren naar zijn startpositie, enz.)

maar we gingen er ten onrechte van uit, voordat Newton kwam, dat de zwaartekracht overal op dezelfde manier werkte op het aardoppervlak., Maar de manier waarop zwaartekracht werkt is dat het je naar het centrum van de aarde trekt, net zoals de hele massa van de planeet je aantrekt. Omdat de aarde om zijn as draait, uitstulpt hij bij de evenaar en wordt samengedrukt bij de Polen. Het effect is klein, maar nog steeds substantieel, en het betekent dat iemand op een van de polen van de aarde dichter bij het centrum van de aarde is dan iemand op de evenaar.

Als je ooit hebt genomen een fysica-klasse, zou u hebben geleerd dat alle objecten versnellen “omlaag” op 9,8 m/s2 onder invloed van de zwaartekracht, wat betekent dat als u een object uit te rusten en verwaarlozen de luchtweerstand, dan zal versnellen, in de neerwaartse richting, met 9,8 m/s (ongeveer 32 meter per seconde) voor elke seconde dat het valt., En dat is waar! Overal waar je gaat, op het oppervlak van de aarde, zal dezelfde versnelling naar beneden, naar het centrum van de aarde: 9,8 m/s2.

maar het is niet nog steeds waar als je naar de derde significante figuur gaat: naar wat vaak wordt geciteerd als 9.81 m/s2. Op de polen, waar je het dichtst bij het centrum van de aarde bent, is de zwaartekrachtversnelling iets groter dan gemiddeld: 9,83 m/s2. Op de evenaar, waar je het verst van het centrum van de aarde bent, is de zwaartekrachtversnelling iets kleiner dan gemiddeld: 9,78 m/s2. Deze effecten zijn klein, maar na genoeg tijd, zullen ze optellen.,

hoewel we denken dat de meest bevolkte gebieden van Europa en Noord-Amerika op ongeveer dezelfde breedtegraden liggen, is dat niet helemaal het geval. Amsterdam, de dichtstbevolkte stad van Nederland, ligt op 52 ° noorderbreedte. Boston, dat de grootste stad was zo ver naar het noorden als het was in de Amerika ‘ s, is een volle 10° verder naar het zuiden: op 42° noorderbreedte. Andere grote bevolkingscentra in de Amerika ‘ s waren nog verder naar het zuiden, dichter bij de evenaar, wat dat verschil verergerde.,

hoogteveranderingen kunnen ook een verschil maken, met laagland locaties in de buurt van de polen met de hoogste versnellingen op aarde tot 9,834 m/s2, terwijl hoge bergketens in de buurt van de evenaar leiden tot de laagste gemeten versnelling: 9,764 m/s2. Het probleem van de breedtegraad is echter bijzonder belangrijk als het gaat om tijdregistratie, en dat zien we aan de hand van een eenvoudige berekening.

stel je voor dat we een pendulumklok hebben gebouwd waarbij de pendulum precies 0,994 meter lang is: wat bekend staat als een secondeslinger., Elke halve swing van de slinger moet precies 1 seconde duren, en omdat we weten dat er 86.400 seconden in een dag van 24 uur zijn, weten we-in theorie-hoe we een dag moeten meten. Dit is hoe goed we zouden doen door 43.200 schommels van deze slinger te meten, afhankelijk van onze lokale waarde van de versnelling van de aarde:

een pendelklok goed kalibreren — zoals we nu weten — betekent ervoor zorgen dat hij de juiste lengte heeft voor de gravitatieversnelling op zijn specifieke locatie.,

De slingerklok was de eerste experimentele aanwijzing dat de zwaartekracht niet uniform is over het aardoppervlak. Al voor de vooruitgang van Isaac Newton was het bekend dat een slinger — als de schommel klein is, de luchtweerstand verwaarloosbaar is en de temperatuur en lengte constant blijven — altijd even lang nodig heeft om een volledige swing te voltooien., Maar de tijd die een slinger nodig heeft om te slingeren varieert over het aardoppervlak, niet alleen met de lengte, maar met twee andere factoren: hoogte en breedtegraad.

het was een belangrijke hint naar een feit dat we nu als vanzelfsprekend beschouwen: dat de aantrekkingskracht van de aarde afhangt van uw Afstand tot het centrum van onze planeet, in plaats van uniform te zijn over het hele oppervlak. Het feit dat de aarde om zijn as draait, en die rotatie zorgt ervoor dat de evenaar uitstulpt ten opzichte van de Polen, betekent dat een slinger langer nodig heeft om een oscillatie te voltooien naarmate de zwaartekracht zwakker wordt., Elke pendelklok moet daarom worden gekalibreerd op het gravitatieveld van precies waar je bent. De eerste klok in Amerika was een spectaculaire demonstratie van dit effect, met als onderliggende oorzaak de wet van de zwaartekracht zelf!