Den första klockan i Amerika misslyckades, och det hjälpte revolutionera fysik

i nästan tre hela århundraden var det mest exakta sättet som mänskligheten höll reda på tiden genom pendelklockan. Från sin första utveckling på 1700-talet fram till uppfinningen av kvarts klockor på 1920-talet, pendelklockor blev häftklamrar av hushållens liv, vilket gör det möjligt för människor att organisera sina scheman enligt en allmänt överens om standard., Ursprungligen uppfanns i Nederländerna av Christian Huygens hela vägen tillbaka i 1656, deras tidiga mönster förfinades snabbt för att kraftigt öka deras precision.

men när den första pendelklockan togs till Amerika hände något bisarrt. Klockan, som hade fungerat perfekt bra på att hålla exakt tid i Europa, kunde synkroniseras med kända astronomiska fenomen, som solnedgång/soluppgång och moonset/moonrise. Men efter bara en vecka eller två i Amerika var det klart att klockan inte höll tiden ordentligt., Den första klockan i Amerika var ett fullständigt misslyckande, men det är bara början på en historia som skulle revolutionera vår förståelse för planetens fysik.

i tusentals år hade forskare ingen bättre metod för att hålla tid än den gamla sundialen. Men med början i början av 1600 — talet ledde Galileos undersökningar av den svängande pendeln — och i synnerhet hans observation att pendelperioden bestämdes enbart av dess längd-till tanken att en pendel teoretiskt skulle kunna användas som klocka. Galileo diskuterade idén 1637, och även om han dog 1642 bodde idén vidare.,

år 1656 uppfann Christiaan Huygens den allra första arbetspendelklockan, som var både primitiv och revolutionerande på ett antal sätt. Under de närmaste decennierna gjordes förbättringar som förbättrade pendelklockan ännu längre, inklusive:

• förkorta gungan så att den bara inträffade för smala vinklar, vilket ökade dess noggrannhet,
• öka pendelns längd och sätta en tung massa på slutet, vilket ökade klockans livslängd,
• standardisera en längd på 0.,994 meter för pendeln, vilket innebar att varje ”swing” från ena sidan till den andra varade exakt en sekund,
• och tillsatsen av en minuts hand, eftersom klockorna nu var tillräckligt exakta så att fraktioner av en timme, ner till minuten, var nu meningsfulla kvantiteter att diskutera.

alla dessa innovationer hade gjorts före 1700: en anmärkningsvärd uppsättning framsteg på kort tid. Den största kända ”felkälla” som inträffade med dessa pendelklockor berodde på temperaturförändringar: pendelns längd skulle öka eller minska när materialen de gjordes av expanderad eller kontraherad med temperatur., Genom att utveckla en temperaturkompenserad pendel – där perioden för en gunga inte förändrades, även som temperaturen gjorde-kan pendelklockorna vara korrekta inom några sekunder per vecka. Den första amerikanska byggda klockan skulle inte inträffa i många årtionden efter det förskottet,och så importerades de första amerikanska tidtagningsanordningarna.

varför det var ett sådant pussel när den första pendelklockan togs från Europa till Amerika. Klockan, byggd och kalibrerad i Nederländerna, var utsökt exakt., Sunset / sunrise och moonset / moonrise gånger var korrekta i veckor, med stjärnor stiger och inställning inom en minut av den förutsagda tiden utan någon kalibrering för ungefär en hel månad. Men när den klockan kom till Amerika, var sårad och började ticka, började allt gå fel.

inom en vecka märkte folk att solen och månen inte steg eller satt vid de förutspådda tiderna, enligt den här nya klockan. Dessutom blev missmatchen sämre med varje dag som gick., Medan klockan skulle vara korrekt-vid tiden-till inom ca 2 sekunder per dag, eller ca 15 sekunder per vecka, gick det långsamt med mer än 30 sekunder per dag. I slutet av den första veckan var det av med nästan 5 minuter.

klart, de avslutade, klockan måste ha lidit viss skada under den transatlantiska resan som krävdes för att transportera klockan från Europa till Amerika. Så de gjorde det enda de visste hur man gjorde: de skickar klockan tillbaka till tillverkaren för reparation., Efter en annan transatlantisk resa, där klockan återvände från Amerika till Nederländerna. När den kom, sårade de klockan, observerade dess tickande och jämförde den med alla andra sätt de kände till för att hålla tiden: till andra klockor, till solur och till uppgång och inställning av himmelska föremål.

inom 2 sekunder per dag var klockan helt korrekt.

denna galna upplevelse är bekant för alla som någonsin varit i ett scenario där din bil gör något du vet att den inte borde göra: göra ett roligt ljud, hantera felaktigt, bli för varmt etc., Du märker problemet, du tar det till en mekaniker, och så snart du anländer till mekanikern börjar bilen bete sig som om ingenting är fel. Det allestädes närvarande problemet som du har upplevt ständigt plötsligt löser sig när du anländer till en person som kunde diagnostisera och åtgärda det. Men så fort du kör iväg börjar det oundvikligen ha det problemet igen.

om de hade skickat tillbaka klockan till Amerika från Europa, skulle de ha sett exakt samma fenomen inträffa., Klockan – som höll utsökt exakt tid i Europa – skulle ha börjat springa i fel takt i Amerika igen. Anledningen skulle ha varit helt Obskyr för alla som bor i Galileos tid, men det började vara meningsfullt när vi började förstå hur gravitation fungerade.

här på jorden är gravitationskraften det som driver svängning av en pendel. Om du flyttar en pendel bara lite bort från sin jämviktsposition, är tyngdkraften vad drar den tillbaka mot jämviktspositionen., Det är sant att pendelperioden är relaterad till pendelns längd: om du vill dubbla perioden måste du fyrdubbla längden. (En pendel som är 0,994 meter lång tar två sekunder för att återgå till startpositionen; en pendel som är 0,2485 meter lång tar 1 sekund för att återgå till startpositionen; en som är 3,974 meter lång tar 4 sekunder för att återgå till startpositionen etc.)

men vi antog felaktigt, innan Newton kom, att gravitationen fungerade på samma sätt överallt på jordens yta., Men hur gravitation fungerar är att det lockar dig till jordens centrum, även om hela massan av planeten lockar dig. Eftersom jorden snurrar på sin axel bultar den vid ekvatorn och komprimeras vid polerna. Effekten är liten men fortfarande betydande, och det betyder att någon på en av jordens poler ligger närmare jordens centrum än någon vid ekvatorn.

om du någonsin har tagit en fysikklass kanske du har lärt dig att alla objekt accelererar ”nedåt” vid 9,8 m/s2 under gravitationens påverkan, vilket innebär att om du släpper ett objekt från vila och försummar luftmotståndet, kommer det att påskynda, i nedåtgående riktning, med 9,8 m / s (cirka 32 fot per sekund) för varje sekund att det faller., Och det är sant! Vart du än går, på jordens yta, kommer att ha samma acceleration nedåt, mot jordens centrum: 9.8 m / s2.

men det är inte fortfarande sant om du går till den tredje signifikanta siffran: till det som vanligtvis citeras som 9.81 m / s2. Vid polerna, där du är närmast jordens centrum, är gravitationsaccelerationen lite större än genomsnittet: 9,83 m/s2. Vid ekvatorn, där du är längst bort från jordens centrum, är gravitationsaccelerationen lite mindre än genomsnittet: 9,78 m / s2. Dessa effekter är små, men med tillräckligt med tid, de kommer att lägga upp.,

även om vi tänker på de mest befolkade områdena i Europa och Nordamerika att vara på ungefär samma breddgrader, så är det inte riktigt fallet. Amsterdam, den folkrikaste staden i Nederländerna, ligger vid 52 ° N latitud. Boston, som var den största staden så långt norrut som den var i Amerika, är en full 10 ° längre söderut: vid 42 ° N latitud. Andra stora befolkningscentra i Amerika var ännu längre söderut, närmare ekvatorn, vilket förvärrade den skillnaden.,

höjdförändringar kan också göra skillnad, med låglandsplatser nära polerna med de högsta accelerationerna på jorden på upp till 9,834 m / s2, medan höga bergskedjor nära ekvatorn leder till den lägsta uppmätta accelerationen: 9,764 m/s2. Latitudproblemet är dock särskilt viktigt när det gäller tidtagning, och vi kan se detta bara genom att göra en enkel beräkning.

låt oss föreställa oss att vi har byggt en pendelklocka där pendeln är exakt 0,994 meter lång: vad som kallas en sekund pendel., Varje halvsving av pendeln ska ta exakt 1 sekund, och eftersom vi vet att det finns 86 400 sekunder på en 24 — timmars dag, vet vi — i teorin-hur man mäter en dag. Så här väl skulle vi göra genom att mäta 43,200 svängningar av denna pendel, beroende på vårt lokala värde av jordens acceleration:

korrekt kalibrering av en pendelklocka — som vi nu vet — innebär att den har rätt längd för gravitationsaccelerationen vid sin speciella plats.,

pendelklockan var förmodligen den första experimentella indikationen vi hade att gravitationen inte är likformig över jordens yta. Redan innan framstegen i Isaac Newton var det känt att en pendel — om gungan är liten är luftmotståndet försumbar och temperaturen och längden förblir konstanta — tar alltid samma tid att slutföra en full gång., Men den tid det tar en pendel att svänga varierar över jordens yta, inte bara med längd utan med två andra faktorer: höjd och latitud.

det var en viktig ledtråd till ett faktum som vi nu tar för givet: att gravitations attraktionen från jorden beror på ditt avstånd till vår planets centrum, snarare än att vara enhetlig över hela ytan. Det faktum att jorden roterar på sin axel, och att rotation orsakar ekvatorn att bukta jämfört med polerna, innebär att en pendel tar längre tid att slutföra en svängning som gravitationen blir svagare., Varje pendelklocka måste därför kalibreras till gravitationsfältet på exakt var du är. Den första klockan i Amerika var en spektakulär demonstration av denna effekt, med den bakomliggande orsaken är tyngdlagen själv!