Primul Ceas Din America nu a Reușit, Și A Ajutat să Revoluționeze Fizica

timp De aproape trei secole, mai precis modul în care umanitatea a ținut evidența de timp a fost prin ceas cu pendul. De la dezvoltarea sa inițială în secolul al 17-lea până la inventarea ceasurilor de cuarț în anii 1920, ceasurile pendul au devenit capse ale vieții de uz casnic, permițând oamenilor să-și organizeze programele în conformitate cu un standard universal convenit., Inițial inventat în Olanda de Christian Huygens tot drumul înapoi în 1656, desenele lor timpurii au fost rapid rafinat pentru a crește foarte mult precizia lor.dar când primul ceas cu pendul a fost adus în America, s-a întâmplat ceva bizar. Ceasul, care a funcționat perfect la păstrarea timpului exact în Europa, ar putea fi sincronizat cu fenomene astronomice cunoscute, cum ar fi apusul/răsăritul soarelui și apusul/răsăritul lunii. Dar, după doar o săptămână sau două în America, era clar că ceasul nu a fost păstrarea timpului în mod corespunzător., Primul ceas din America a fost un eșec complet, dar acesta este doar începutul unei povești care ar revoluționa înțelegerea noastră despre fizica planetei Pământ.

de mii de ani, oamenii de stiinta au nici mai bună metodă pentru păstrarea timp decât cadran solar antic. Dar începând cu începutul anilor 1600, investigațiile lui Galileo asupra pendulului swinging — și, în special, observația lui că perioada unui pendul a fost determinată doar de lungimea sa-au dus la ideea că un pendul ar putea fi teoretic folosit ca ceas. Galileo a discutat ideea în 1637 și, deși a murit în 1642, ideea a continuat., în 1656, Christiaan Huygens a inventat primul ceas pendul de lucru, care a fost atât primitiv, cât și revoluționar în mai multe moduri. În următoarele decenii, s-au făcut îmbunătățiri care au îmbunătățit și mai mult ceasul pendulului, inclusiv:

• scurtarea leagănului astfel încât să apară doar pentru unghiuri înguste, mărind precizia acestuia,
• mărind lungimea pendulului și punând o masă grea la capăt, ceea ce a crescut longevitatea ceasului,
• standardizând o lungime de 0.,994 de metri pentru pendul, ceea ce însemna că fiecare „leagăn” dintr-o parte în alta a durat exact o secundă,
• și adăugarea unei mâini minute, deoarece ceasurile erau acum suficient de precise, astfel încât fracțiunile de o oră, până la minut, erau acum cantități semnificative de discutat.

Toate aceste inovații au fost făcute înainte de 1700: un set remarcabil de avansuri într-o perioadă scurtă de timp. Principala „sursă de eroare” cunoscută care a avut loc cu aceste ceasuri pendul s-a datorat schimbărilor de temperatură: lungimea pendulului ar crește sau scădea pe măsură ce materialele din care au fost făcute din expandat sau contractat cu temperatura., Prin dezvoltarea unui pendul compensat de temperatură — în cazul în care perioada de un leagăn nu sa schimbat chiar ca temperatura a făcut — pendul Ceasuri ar putea fi exacte în doar câteva secunde pe săptămână. Primul ceas american-a construit nu ar avea loc pentru mai multe decenii după acest avans, și astfel au fost importate primele dispozitive de cronometrare americane.de aceea a fost un astfel de puzzle când primul ceas cu pendul a fost adus din Europa în America. Ceasul, construit și calibrat în Olanda, a fost deosebit de precis., Timpii Apusului / răsăritului și apusului / răsăritului lunii au fost exacți pentru săptămâni, stelele ridicându-se și stabilind într-un minut din timpul prezis, fără nici o calibrare pentru aproximativ o lună întreagă. Dar odată ce acel ceas a ajuns în America, a fost rănit și a început să ticăie, totul a început să meargă prost.

Într-o singură săptămână, oamenii au observat că Soarele și Luna nu răsare sau apune la prezis ori, în funcție de acest nou ceas. Mai mult, nepotrivirea se înrăutățește cu fiecare zi care trece., În timp ce ceasul trebuia să fie exact — la momentul respectiv-în aproximativ 2 secunde pe zi sau aproximativ 15 secunde pe săptămână, acesta funcționa lent cu mai mult de 30 de secunde pe zi. Până la sfârșitul primei săptămâni, a fost oprit cu aproape 5 minute.

în mod clar, au concluzionat, ceasul trebuie să fi suferit unele daune în timpul călătoriei transatlantice care a fost necesară pentru a transporta ceasul din Europa în America. Așa că au făcut singurul lucru pe care știau să-l facă: trimit ceasul înapoi producătorului pentru reparații., După o altă călătorie transatlantică, unde ceasul a fost returnat din America în Olanda. Când a sosit, au înfășurat ceasul, i-au observat ticăitul și l-au comparat cu toate celelalte moduri în care știau să păstreze timpul: cu Alte ceasuri, cu cadrane solare și cu ridicarea și stabilirea obiectelor cerești.

la în termen de 2 secunde pe zi, ceasul a fost perfect exacte.

Acest înnebunitoare experiență este familiar pentru oricine care a fost vreodată într-un scenariu în cazul în care masina ta este să faci ceva ce știi că nu ar trebui să fie de a face: a face un sunet amuzant, manipulare necorespunzătoare, prea cald, etc., Observați problema, o duceți la un mecanic și, de îndată ce ajungeți la mecanic, mașina începe să se comporte ca și cum nimic nu este în neregulă. Problema omniprezentă pe care ați experimentat-o în mod constant se rezolvă brusc atunci când ajungeți la singura persoană care ar putea să o diagnosticheze și să o repare. Cu toate acestea, de îndată ce vă îndepărtați, inevitabil începe să aibă din nou această problemă.

dacă ar fi trimis acel ceas înapoi în America din Europa, ar fi văzut exact aceleași fenomene., Ceasul-care a păstrat un timp deosebit de precis în Europa — ar fi început să funcționeze din nou într-un ritm greșit în America. Motivul ar fi fost total obscur pentru oricine trăia în timpul lui Galileo, dar a început să aibă sens odată ce am început să înțelegem cum funcționa gravitația.

Aici, pe Pământ, forța gravitațională este ceea ce conduce oscilația unui pendul. Dacă mutați un pendul doar un pic mai departe de poziția sa de echilibru, forța de gravitație este ceea ce-l trage înapoi spre poziția de echilibru., Este adevărat că perioada pendulului este legată de lungimea pendulului: dacă doriți să dublați perioada, trebuie să cvadruplați lungimea. (Un pendul care e 0.994 de metri lungime va avea două secunde pentru a reveni la poziția sa inițială; un pendul care e 0.2485 de metri lungime va avea 1 secundă pentru a reveni la poziția de pornire; unul care este 3.974 de metri lungime, va dura 4 secunde pentru a reveni la poziția de pornire, etc.dar am presupus greșit, înainte ca Newton să apară, că gravitația funcționa la fel peste tot pe suprafața Pământului., Dar modul în care funcționează gravitația este că te atrage în centrul Pământului, chiar dacă întreaga masă a planetei te atrage. Deoarece Pământul se învârte pe axa sa, se umflă la ecuator și se comprimă la poli. Efectul este ușor, dar totuși substanțial, și înseamnă că cineva de la unul dintre polii Pământului este mai aproape de centrul Pământului decât cineva de la ecuator.

Dacă ați luat vreodată o oră de fizică, s-ar putea au învățat că toate obiectele accelera „în jos” la 9,8 m/s2, sub influența gravitației, în sensul că dacă scăpați un obiect de odihnă și neglijează rezistența aerului, atunci se va accelera, în direcție descendentă, cu 9,8 m/s (aproximativ 32 de metri pe secundă) pentru fiecare secundă în care acesta cade., Și asta e adevărat! Oriunde te duci, pe suprafața Pământului, va avea aceeași accelerație în jos, spre centrul Pământului: 9.8 m / s2.dar nu este încă adevărat dacă mergeți la a treia cifră semnificativă: la ceea ce este frecvent citat ca 9.81 m/s2. La poli, unde ești cel mai aproape de centrul Pământului, accelerația gravitațională este puțin mai mare decât media: 9,83 m/s2. La ecuator, unde ești cel mai îndepărtat de centrul Pământului, accelerația gravitațională este puțin mai mică decât media: 9,78 m/s2. Aceste efecte sunt mici, dar în timp suficient, se vor adăuga.,

Deși noi credem că de cele mai populate zone din Europa și America de Nord să fie la aproximativ aceleași latitudini, că nu e cazul. Amsterdam, cel mai populat oraș din Olanda, se află la 52° N latitudine. Boston, care a fost cel mai mare oraș în măsura în nord, așa cum a fost în America, este un plin 10° mai departe spre sud: la 42° n latitudine. Alte centre de populație majore din America erau chiar mai la sud, mai aproape de Ecuator, exacerbând această diferență.,

schimbările de Altitudine, de asemenea, pot face o diferență, cu șes locații în apropierea polilor au cele mai mari accelerații pe Pământ de până la 9.834 m/s2, în timp ce muntoase înalte în apropierea ecuatorului duce la cele mai mici măsurate de accelerare: 9.764 m/s2. Cu toate acestea, problema latitudinii este deosebit de importantă atunci când vine vorba de cronometrare și putem vedea acest lucru doar făcând un calcul simplu.

Să ne imaginăm că ne-am construit un pendul de ceas în cazul în care pendulul este exact 0.994 metri în lungime: ceea ce este cunoscut ca un pendul., Fiecare jumătate de leagăn al pendulului ar trebui să dureze exact 1 secundă și, din moment ce știm că există 86.400 de secunde într — o zi de 24 de ore, știm — teoretic-cum să măsurăm o zi. Iată cât de bine ne-ar face prin măsurarea 43,200 leagăne de acest pendul, în funcție de valoare locală a Pământului accelerația:

mod Corespunzător calibrarea unui ceas cu pendul — după cum știm acum — înseamnă asigurarea că acesta are lungimea corecta pentru accelerația gravitațională la anumită locație.,

ceas Cu pendul, fără îndoială, a fost primul experimentale indicarea am avut că gravitația nu este uniformă pe suprafața Pământului. Chiar înainte de avansurile lui Isaac Newton, se știa că un pendul — dacă leagănul este mic, rezistența aerului este neglijabilă, iar temperatura și lungimea rămân constante-durează întotdeauna aceeași perioadă de timp pentru a finaliza un leagăn complet., Dar timpul necesar unui pendul pentru a se balansa variază de-a lungul suprafeței Pământului, nu numai cu lungimea, ci și cu alți doi factori: altitudinea și latitudinea.

a fost un indiciu major către un fapt pe care acum îl considerăm de la sine înțeles: că atracția gravitațională de pe Pământ depinde de Distanța dvs. față de centrul planetei noastre, mai degrabă decât de a fi uniformă pe întreaga suprafață. Faptul că Pământul se rotește pe axa sa și că rotația determină ecuatorul să se umfle în comparație cu polii, înseamnă că un pendul durează mai mult pentru a finaliza o oscilație pe măsură ce gravitația devine mai slabă., Prin urmare, orice ceas pendul trebuie calibrat la câmpul gravitațional exact unde vă aflați. Primul ceas din America a fost o demonstrație spectaculoasă a acestui efect, cauza care stă la baza fiind însăși legea gravitației!