Pierwszy zegar w Ameryce nie powiódł się i pomógł zrewolucjonizować fizykę

przez prawie trzy pełne wieki najdokładniejszym sposobem, w jaki ludzkość śledziła czas, był zegar wahadłowy. Od początkowego rozwoju w XVII wieku do wynalezienia zegarów kwarcowych w latach dwudziestych XX wieku, zegary wahadłowe stały się podstawą życia domowego, umożliwiając ludziom organizowanie ich harmonogramów zgodnie z powszechnie przyjętym standardem., Początkowo wynalezione w Holandii przez Christiana Huygensa w 1656 roku, ich wczesne projekty zostały szybko dopracowane, aby znacznie zwiększyć ich precyzję.

ale kiedy pierwszy zegar wahadłowy został przywieziony do Ameryki, stało się coś dziwnego. Zegar, który pracował doskonale w utrzymaniu dokładnego czasu w Europie, może być zsynchronizowany ze znanymi zjawiskami astronomicznymi, takimi jak zachód słońca/wschód słońca i Zachód księżyca / wschód księżyca. Ale po zaledwie tygodniu lub dwóch w Ameryce, było jasne, że zegar nie trzyma czasu prawidłowo., Pierwszy zegar w Ameryce był kompletną porażką, ale to dopiero początek historii, która zrewolucjonizowałaby nasze rozumienie fizyki planety Ziemia.

przez tysiące lat naukowcy nie mieli lepszej metody utrzymywania czasu niż starożytny zegar słoneczny. Jednak począwszy od początku 1600 roku, badania Galileusza nad wahadłem wahadłowym-a w szczególności jego obserwacja, że okres wahadła został określony wyłącznie przez jego długość-doprowadziły do idei, że wahadło może teoretycznie być używane jako zegar. Galileusz omówił pomysł w 1637 roku, i chociaż zmarł w 1642 roku, idea żyła dalej.,

w 1656 roku Christiaan Huygens wynalazł pierwszy działający zegar wahadłowy, który był zarówno prymitywny, jak i rewolucyjny pod wieloma względami. W ciągu następnych kilku dekad dokonano udoskonaleń, które jeszcze bardziej poprawiły zegar wahadłowy, w tym:

• skrócenie wahacza tak, aby występował tylko dla wąskich kątów, zwiększenie jego dokładności,
• zwiększenie długości wahadła i nałożenie ciężkiej masy na koniec, co zwiększyło żywotność zegara,
• Standaryzowanie długości 0.,994 metrów dla wahadła, co oznaczało, że każda „huśtawka” z jednej strony na drugą trwała dokładnie jedną sekundę,
• i dodanie minutowej ręki, ponieważ zegary były teraz na tyle dokładne, że ułamki godziny, w dół do minuty, były teraz znaczące ilości do omówienia.

wszystkie te innowacje zostały dokonane przed 1700: niezwykły zestaw postępów w krótkim czasie. Głównym znanym „źródłem błędu”, które wystąpiły z tych zegarów wahadłowych było ze względu na zmiany temperatury: Długość wahadła będzie wzrastać lub zmniejszać się w miarę materiałów, z których zostały wykonane, rozszerzone lub kurczone z temperaturą., Dzięki opracowaniu wahadła kompensowanego temperaturą-w którym okres huśtawki nie zmieniał się nawet tak, jak temperatura — zegary wahadłowe mogły być dokładne w ciągu zaledwie kilku sekund tygodniowo. Pierwszy amerykański zegar nie pojawiłby się przez wiele dziesięcioleci po tym postępie, więc pierwsze Amerykańskie urządzenia do pomiaru czasu zostały importowane.

dlatego właśnie taką zagadką było sprowadzenie z Europy do Ameryki pierwszego zegara wahadłowego. Zegar, zbudowany i skalibrowany w Holandii, był niezwykle dokładny., Zachód słońca/wschód słońca i Zachód księżyca / wschód księżyca były dokładne przez tygodnie, z gwiazdami wschodzącymi i ustawiającymi się w ciągu minuty przewidywanego czasu bez kalibracji przez około pełny miesiąc. Ale kiedy ten zegar przybył do Ameryki, został zraniony i zaczął tykać, wszystko zaczęło iść źle.

w ciągu jednego tygodnia ludzie zauważyli, że słońce i Księżyc nie wschodzą ani nie zachodzą w przewidywanym czasie, zgodnie z tym nowym zegarem. Co więcej, niedopasowanie było coraz gorsze z każdym dniem., Podczas gdy zegar miał być dokładny — w tym czasie — do około 2 sekund dziennie, lub około 15 sekund tygodniowo, działał wolniej o ponad 30 sekund dziennie. Pod koniec pierwszego tygodnia był wyłączony o prawie 5 minut.

oczywiście, doszli do wniosku, że zegar musiał ponieść pewne szkody podczas podróży transatlantyckiej, która była wymagana do transportu zegara z Europy do obu Ameryk. Zrobili więc jedyną rzecz, jaką potrafili zrobić: odsyłają zegar do producenta w celu naprawy., Po kolejnej podróży transatlantyckiej, gdzie zegar został zwrócony z obu Ameryk do Holandii. Kiedy przybył, nakręcali zegar, obserwowali jego tykanie i porównywali go ze wszystkimi innymi sposobami, o których wiedzieli, aby zatrzymać czas: do innych zegarów, do zegarów słonecznych oraz do wschodzenia i ustawiania obiektów niebieskich.

w ciągu 2 sekund dziennie zegar był idealnie dokładny.

To szalone doświadczenie jest znane każdemu, kto kiedykolwiek brał udział w scenariuszu, w którym twój samochód robi coś, o czym wiesz, że nie powinien robić: wydaje zabawny dźwięk, niewłaściwie manipuluje, robi się zbyt gorąco itp., Zauważasz problem, zabierasz go do mechanika i jak tylko przyjedziesz do mechanika, samochód zaczyna zachowywać się tak, jakby nic się nie stało. Wszechobecny problem, którego ciągle doświadczasz, nagle rozwiązuje się, gdy dotrzesz do jednej osoby, która może go zdiagnozować i naprawić. Jednak, jak tylko odjedziesz, nieuchronnie zaczyna mieć ten problem ponownie.

gdyby odesłali ten zegar z Europy do obu Ameryk, zobaczyliby dokładnie te same zjawiska., Zegar-który utrzymywał w Europie wyjątkowo dokładny czas — znów zaczął działać w niewłaściwym tempie w obu Amerykach. Powód byłby całkowicie niejasny dla każdego żyjącego w czasach Galileusza, ale zaczęło to mieć sens, gdy zaczęliśmy rozumieć, jak działa grawitacja.

tutaj na Ziemi Siła grawitacyjna jest tym, co napędza wahadło. Jeśli przesuniesz wahadło nieco od jego położenia równowagi, siła grawitacji jest tym, co przyciąga je z powrotem w kierunku położenia równowagi., To prawda, że okres wahadła jest związany z długością wahadła: jeśli chcesz podwoić okres, musisz czterokrotnie zwiększyć długość. (Wahadło o długości 0,994 metra zajmie dwie sekundy, aby powrócić do pozycji wyjściowej; wahadło o długości 0,2485 metra zajmie 1 sekundę, aby powrócić do pozycji wyjściowej; jeden o długości 3,974 metra zajmie 4 sekundy, aby powrócić do pozycji wyjściowej, itp.)

ale błędnie założyliśmy, zanim pojawił się Newton, że grawitacja działała tak samo wszędzie na powierzchni Ziemi., Ale sposób działania grawitacji polega na tym, że przyciąga cię do centrum Ziemi, tak jak przyciąga cię cała masa planety. Ponieważ Ziemia obraca się na swojej osi, wygina się na równiku i ściska na biegunach. Efekt jest niewielki, ale nadal znaczący, a to oznacza, że ktoś na jednym z biegunów Ziemi jest bliżej centrum Ziemi niż ktoś na równiku.

Jeśli kiedykolwiek brałeś lekcje fizyki, być może nauczyłeś się, że wszystkie obiekty przyspieszają „w dół” przy 9.8 m/s2 pod wpływem grawitacji, co oznacza, że jeśli upuścisz obiekt z odpoczynku i zaniedbasz opór powietrza, to przyspieszy on w dół o 9.8 m/s (około 32 stóp na sekundę) na każdą sekundę, że spada., I to prawda! Gdziekolwiek się udasz, na powierzchni Ziemi, będzie miało takie samo przyspieszenie w dół, w kierunku środka Ziemi: 9,8 m / s2.

ale nie jest to nadal PRAWDA, jeśli przejdziesz do trzeciej znaczącej liczby: do tego, co jest powszechnie cytowane jako 9.81 m/s2. Na biegunach, gdzie jesteś najbliżej centrum Ziemi, przyspieszenie grawitacyjne jest nieco większe niż średnie: 9,83 m / s2. Na równiku, gdzie jesteś najdalej od centrum Ziemi, przyspieszenie grawitacyjne jest nieco mniejsze niż średnie: 9,78 m / s2. Te efekty są małe, ale z czasem się sumują.,

chociaż myślimy o najbardziej zaludnionych obszarach Europy i Ameryki Północnej, aby być w przybliżeniu na tych samych szerokościach geograficznych, to nie do końca przypadek. Amsterdam, najbardziej zaludnione miasto w Holandii, znajduje się na szerokości geograficznej 52° N. Boston, który był największym miastem tak daleko na północ, jak to było w obu Amerykach, jest pełne 10° dalej na południe: na 42 ° szerokości geograficznej północnej. Inne duże ośrodki populacyjne w obu Amerykach znajdowały się jeszcze dalej na południe, bliżej równika, co pogłębiało tę różnicę.,

zmiany wzniesień mogą również mieć znaczenie, ponieważ lokalizacje nizinne w pobliżu biegunów mają najwyższe przyspieszenia na ziemi do 9,834 m/s2, podczas gdy wysokie pasma górskie w pobliżu równika prowadzą do najniższego zmierzonego przyspieszenia: 9,764 m / s2. Jednak problem szerokości geograficznej jest szczególnie ważny, jeśli chodzi o pomiar czasu, a możemy to zobaczyć po prostu wykonując proste obliczenia.

wyobraźmy sobie, że zbudowaliśmy zegar wahadłowy, w którym wahadło ma dokładnie 0,994 metra długości: co jest znane jako wahadło sekundowe., Każde pół obrotu wahadła powinno trwać dokładnie 1 sekundę, a ponieważ wiemy, że w ciągu 24 godzin doby jest 86 400 sekund, wiemy-teoretycznie-jak zmierzyć dzień. Oto, jak dobrze poradzilibyśmy sobie mierząc 43 200 huśtawek tego wahadła, w zależności od naszej lokalnej wartości przyspieszenia ziemskiego:

prawidłowa kalibracja zegara wahadłowego — jak już wiemy — oznacza upewnienie się, że ma on odpowiednią długość dla przyspieszenia grawitacyjnego w danym miejscu.,

zegar wahadłowy, prawdopodobnie, był pierwszym eksperymentalnym wskazaniem, że grawitacja nie jest jednolita nad powierzchnią ziemi. Jeszcze przed postępami Isaaca Newtona wiadomo było, że wahadło — jeśli huśtawka jest mała, opór powietrza jest znikomy, a temperatura i długość pozostają stałe — zawsze zajmuje tyle samo czasu, aby ukończyć pełny huśtawka., Ale czas potrzebny wahadłu do huśtania się różni się w zależności od powierzchni Ziemi, nie tylko pod względem długości, ale także dwóch innych czynników: wysokości i szerokości geograficznej.

była to główna wskazówka w kierunku faktu, że teraz bierzemy za pewnik: że przyciąganie grawitacyjne z ziemi zależy od odległości od centrum naszej planety, a nie jest jednolite na całej powierzchni. Fakt, że Ziemia obraca się na swojej osi, a ten obrót powoduje wybrzuszenie równika w porównaniu do biegunów, oznacza, że wahadło trwa dłużej, aby wykonać oscylację, gdy grawitacja słabnie., Dlatego każdy zegar wahadłowy musi być skalibrowany do pola grawitacyjnego dokładnie tego, gdzie jesteś. Pierwszy zegar w Ameryce był spektakularną demonstracją tego efektu, a jego przyczyną było samo prawo grawitacji!