Comtoise kellot, kuten nähdään tässä Comtoise Museo mestari kelloseppä Bernd Jeannette, ovat … Ranskalainen heilurikello Franch-Comten alueelta Ranskasta. Vaikka ne ovat kauniita antiikkia, ne ovat myös uskomattoman toimiva, pitää aikaa, kun se on kalibroitu oikein, yli span kuukaudessa enintään menetys yhden minuutin tarkkuudella., (Horst Ossinger/picture-alliance kautta Getty Images)
dpa/picture-alliance kautta Getty Images
lähes kolme vuosisataa, tarkin tapa, että ihmiskunta pitää seurata aikaa oli läpi heiluri kellon. Sen alkuvaiheessa 17-luvulla, kunnes keksintö kvartsi kellot 1920-luvulla, heiluri kellot tuli niittejä kotitalouksien elämään, joiden avulla ihmiset voivat järjestää niiden aikataulut mukaan yleisesti sovittu standardi., Alun perin keksinyt Alankomaissa Christian Huygens aina takaisin 1656, niiden varhaiset mallit puhdistettiin nopeasti lisätä huomattavasti niiden tarkkuutta.
mutta kun ensimmäinen heilurikello tuotiin Amerikkaan, tapahtui jotain outoa. Kello, joka oli toiminut täydellisesti tarkan ajan pitämisessä Euroopassa, voitiin synkronoida tunnettujen tähtitieteellisten ilmiöiden kanssa, kuten sunset / sunrise ja moonset/moonrise. Mutta kun Amerikassa oli ollut vain viikko tai kaksi, oli selvää, että kello ei pitänyt aikaa kunnolla., Ensimmäinen kello Amerikassa oli täydellinen epäonnistuminen, mutta se on vasta alkua tarina, joka mullistaisi käsityksemme fysiikan Maapallolla.
ensimmäinen piirustus konseptin heilurikello oli Galileo Galilei, joka pyrki … vivuta heilurin yhtenäinen aika työaikakoneen luomiseksi. Galileo tai hänen poikansa eivät koskaan valmistaneet laitetta, ja ensimmäisen heilurikellon rakensi Christiaan Huygens vuonna 1656.,
De Agostini kautta Getty Images
tuhansia vuosia, tutkijat oli ei parempi tapa pitää aika kuin antiikin aurinkokello. Mutta alkaa 1600-luvun alussa Galileo on tutkimusten svengaava heiluri — ja, erityisesti, hänen havainto, että ajan heiluri oli määräytyy yksinomaan sen pituus — johti ajatukseen, että heiluri voi teoriassa olla käytetty kuin kello. Galileo keskustelivat ajatus vuonna 1637, ja vaikka hän kuoli vuonna 1642, ajatus asui.,
Vuonna 1656, Christiaan Huygens keksi ensimmäinen työ heilurin kellon, joka oli niin primitiivinen ja vallankumouksellinen monin tavoin. Muutaman seuraavan vuosikymmenen aikana, tarkennuksia tehtiin, että parantunut heiluri kellon entisestään, mukaan lukien:
- lyhentää vauhdissa niin, että se vain tapahtui kapea kulmat, mikä lisää sen tarkkuutta,
- kasvava heilurin pituus ja laskemisesta raskas massa lopussa, mikä lisäsi kello on pitkäikäisyys,
- standardoinnista pituus on 0.,994 metriä heiluri, mikä tarkoitti, että jokainen ”swing” yhdeltä puolelta toiselle kesti tasan yhden sekunnin,
- ja lisäksi minuutti käsi, koska kellot olivat nyt riittävän tarkka niin, että jakeet tunti, alas minuutti, olivat nyt merkityksellisiä määriä keskustella.
edestä (L) ja puolella/kaaviokuva (R) ensimmäisen heilurin kellon, joka on koskaan rakennettu, vuonna 1656/7, … sen on suunnitellut Christiaan Huygens ja rakentanut Saloman Coster., Piirustukset ovat Huygensin vuoden 1658 tutkielmasta Horologium. Monet myöhemmät tarkennukset, jo ennen Newtonin painovoimaa, tehtiin tähän alkuperäiseen suunnitelmaan.
Christian Huygens, 1658
Kaikki nämä innovaatiot oli tehty ennen 1700: merkittävä joukko ennakot lyhyessä ajassa. Suuret tunnettu ”virhelähde”, joka tapahtui näiden heilurin kellot johtui lämpötilan muutoksia: heilurin pituus olisi lisätä tai vähentää, koska materiaalit ne on tehty pois laajentunut tai supistunut lämpötilan., Kehittämällä lämpötila-kompensoitu heiluri—, joissa ajan keinu ei muutu, vaikka lämpötila ei — heiluri kellot voisi olla tarkka sisällä vain muutaman sekunnin per viikko. Ensimmäinen amerikkalaisvalmisteinen kello ei toteutunut moneen vuosikymmeneen tuon ennakkomaksun jälkeen, joten ensimmäiset amerikkalaiset ajanottolaitteet tuotiin maahan.
siksi se oli sellainen palapeli, kun ensimmäinen heilurikello tuotiin Euroopasta Amerikkaan. Hollannissa rakennettu ja kalibroitu kello oli erinomaisen tarkka., Auringonlaskun/auringonnousun ja kuu laskee/kuu kertaa olivat tarkkoja viikkoja, tähdet nousee ja laskee minuutin kuluessa ennusti aikaa ilman mitään säätöä noin täyden kuukauden. Mutta kun kello saapui Amerikassa, oli haava, ja alkoi tikittää, kaikki alkoi mennä pieleen.
matka Euroopasta amerikkaan, 1600-luvulla, olisi tyypillisesti tarkoitti matkalla … korkeammilla leveysasteilla (lähempänä napa) alemmilla, Päiväntasaajan leveysasteilla., Vaikka tätä tosiasiaa yleisesti arvostettiin silloin, ei ymmärretty, että gravitaatiokiihtyvyys ja siten myös heilurin aika olisivat erilaisia.
© Ilmainen Kartta Työkalut / OpenStreetMap
yhden viikon aikana, ihmiset huomanneet, että Aurinko ja Kuu eivät olleet nousussa tai asetusta, ennusti kertaa, mukaan tämä uusi kello. Lisäksi epäsuhta paheni päivä päivältä., Kellon piti olla tarkka-tuolloin – noin 2 sekunnissa päivässä eli noin 15 sekuntia viikossa, mutta se kulki hitaasti yli 30 sekuntia päivässä. Ensimmäisen viikon lopulla se oli pois lähes 5 minuuttia.
selvästi, he päättelivät, kellon on täytynyt kärsiä jonkin verran vahinkoa transatlanttisen matkan aikana, joka oli tarpeen kellon kuljettamiseksi Euroopasta Amerikkoihin. He tekivät siis ainoan asian, jonka osasivat: he lähettivät kellon takaisin valmistajalle korjattavaksi., Toisen trans-Atlantic-matkan jälkeen, jossa kello palautettiin Amerikoista Alankomaihin. Kun se saapui, he haavan kello, havaittiin sen tikittää, ja vertasi sitä kaikkia muita tapoja, joilla he tiesivät pitämään aika: muut kellot, jotta sundials, ja nouseva ja asettamista taivaankappaleita.
2 sekunnin kuluessa päivässä kello oli täysin tarkka.
heiluri, niin kauan kuin paino on kaikki bob alareunassa, kun ilman vastus, lämpötila …, muutokset, ja suuret kulmavaikutukset voidaan jättää huomiotta, ovat aina samalla ajanjaksolla, kun sovelletaan samaa gravitaatiokiihtyvyyttä. Se, että sama heiluri heilui eri hinnat eri paikoissa oli aavistuksen kohti Newtonin gravitaatio.
Krishnavedala / Wikimedia Commons
Tämä raivostuttava kokemus on tuttu kaikille, jotka on koskaan ollut tilanteessa, jossa auto on tekemässä jotain, sinä tiedät sen ei pitäisi tehdä: tehdä hauska ääni -, käsittely-väärin, liian kuuma, jne., Huomaat ongelman, viet sen mekaanikolle, ja heti kun saavut mekaanikolle, auto alkaa käyttäytyä kuin mikään ei olisi pielessä. Kaikkialla läsnä oleva ongelma, jota olet kokenut jatkuvasti, yhtäkkiä ratkaisee itsensä, kun saavut yhdelle henkilölle, joka voisi diagnosoida ja korjata sen. Kuitenkin heti kun ajaa pois, se väistämättä alkaa olla, että ongelma uudelleen.
jos he olisivat lähettäneet kellon takaisin Amerikkoihin Euroopasta, he olisivat nähneet täsmälleen samat ilmiöt., Kello – joka piti erinomaisen tarkan ajan Euroopassa-olisi alkanut taas kulkea väärään tahtiin Amerikoissa. Syy olisi ollut täysin epäselvä kenellekään asuvat aika Galileo, mutta se alkoi järkeä, kun olemme alkaneet ymmärtää, miten gravitaatio toimi.
yleensä, on olemassa vain kaksi tekijää, jotka määrittävät ajan heiluri: sen pituus, missä …, enää pendulums kestää kauemmin suorittaa yhden värähtely, ja painovoiman aiheuttama kiihtyvyys, missä suurempia määriä painovoima tuloksia nopeammin heiluri keinut.
Daniel A. Russell / Penn State University
Täällä Maan päällä, vetovoima on se, mikä ajaa svengaava heiluri. Jos siirrät heiluri vain hieman pois sen tasapainotila, painovoima mikä vetää sitä takaisin kohti tasapainotilaa., On totta, että heilurin aika liittyy heilurin pituuteen: jos haluat kaksinkertaistaa jakson, sinun täytyy nelinkertaistaa pituus. (Heiluri, että on 0.994 metriä pitkä kestää kaksi sekuntia, palaa alkuasentoon; heiluri, että on 0.2485 metriä pitkä kestää 1 sekunnin palata alkuasentoon; yksi, joka on 3.974 metriä pitkä kestää 4 sekuntia, palaa alkuasentoon, jne.)
Mutta meillä on virheellisesti oletettu, ennen kuin Newton tuli, että painovoima toimi samalla tavalla kaikkialla Maan pinnalla., Mutta gravitaatio toimii niin, että se houkuttelee sinut maan keskipisteeseen, vaikka koko planeetan massa houkuttelee sinua. Koska Maa pyörii akselillaan, se pullistuu päiväntasaajallaan ja painuu napoihin. Vaikutus on pieni, mutta silti merkittävä, ja se tarkoittaa, että joku yksi Maapallon napojen on lähempänä Maan keskipisteeseen kuin joku päiväntasaajalla.
halkaisija Maan päiväntasaajalla on 12,756 km, kun taas navoilla sen vain 12,714 km. Olet …, ovat 21 kilometriä lähempänä Pohjoisnavalla seisovaa maan keskustaa kuin päiväntasaajaa. Ero johtuu pitkälti maan aksiaalisesta pyörimisestä.
NASA / Sininen Marmori-hanke / MODIS
Jos olet koskaan ottanut fysiikan luokka, olet ehkä oppinut, että kaikki esineitä nopeuttaa ”alaspäin” 9,8 m/s2 vaikutuksen alaisena painovoiman, mikä tarkoittaa, että jos pudotat kohde levätä ja laiminlyödä ilman vastarintaa, niin se nopeuttaa, ja alaspäin, 9,8 m/s (noin 32 metriä sekunnissa) joka toinen, että se putoaa., Ja se on totta! Kaikkialla, maan pinnalla, on sama kiihtyvyys alaspäin, kohti maan keskustaa: 9,8 m / s2.
Mutta se ei ole vielä totta, jos menet kolmas merkittävä hahmo: mitä on yleisesti mainittu 9.81 m/s2. Napojen kohdalla, missä ollaan lähimpänä maan keskustaa, gravitaatiokiihtyvyys on hieman keskimääräistä suurempi: 9,83 m / s2. Päiväntasaajalla, jossa ollaan kauimpana maan keskipisteestä, gravitaatiokiihtyvyys on hieman keskimääräistä pienempi: 9,78 m / s2. Nämä vaikutukset ovat pieniä,mutta ajan mittaan ne täsmäävät.,
painovoimakentässä Maapallolla vaihtelee paitsi leveys, mutta myös korkeus ja muut … tapoja, jotka johtuvat erityisesti maankuoren paksuudesta ja siitä, että maankuori kelluu tehokkaasti vaipan päällä. Tämän seurauksena gravitaatiokiihtyvyys vaihtelee muutaman kymmenesosan prosentista maan pinnalla.
C. Reigber et al., (2005), Lehti Geodynamiikan 39(1),1-10
Vaikka ajattelemme kaikkein asutuilla alueilla Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa olevan suunnilleen samaan leveysasteilla, se ei ole aivan tapauksessa. Alankomaiden väkirikkain kaupunki Amsterdam on 52 ° N leveysasteella. Boston, joka oli suurin kaupunki Pohjois-Amerikassa, on täysi 10° etelämpänä: 42° N leveysasteella. Muut suuret asutuskeskukset Amerikassa olivat vielä etelämpänä, lähempänä päiväntasaajaa, pahentaen tätä eroa.,
Korkeuseroja voi myös tehdä ero, kanssa alanko paikoissa lähellä napoja, joilla on korkein kiihtyvyydet Maan päällä jopa 9.834 m/s2, kun taas korkeat vuoristot lähellä päiväntasaajaa johtaa alin mitattu kiihtyvyys: 9.764 m/s2. Kuitenkin, leveyttä ongelma on erityisen tärkeää, kun se tulee kellonajan, ja voimme nähdä tämän, vain tehdä yksinkertainen laskelma.
heidän keksintö vuonna 1656, kunnes 1920-luvulla, heiluri kellot olivat tarkin ajanotto …, ihmiskunnalle tutut laitteet. Niistä tuli lopulta sen verran edullisia, että useimmissa keskiluokkaisissa kodeissa oli sellainen teollisen ajan aikana, mutta jokainen niistä piti kalibroida asianmukaisesti paikallisiin olosuhteisiin. (Kuva: Colin McConnell/Toronto Star kautta Getty Images)
Toronto Star via Getty Images
kuvitellaan, että olemme rakentaneet heilurikello, jossa heiluri on juuri 0.994 metriä pituus: mikä on tunnettu sekuntia heiluri., Jokainen half-swing heilurin pitäisi ottaa juuri 1 toinen, ja koska tiedämme, että on 86 400 sekuntia 24 tuntia päivässä, me tiedämme — teoriassa — miten mitata päivässä. Tässä on, miten hyvin teemme mittaamalla 43,200 keinut tämä heiluri, riippuen meidän paikallinen arvo Maan kiihtyvyys:
Oikein kalibrointi heiluri kellon — kuten nyt tiedämme — keinot varmistaa, että se on oikea pituus painovoiman kiihtyvyys sen tietyn paikan.,
suunnittelu varhaisessa heilurin kellon, joka oli rakennettu vuonna 1673, kun hänen toinen suunnittelu, Christiaan … Huygens, heilurikellon keksijä. Piirustus on hänen julkaisu Horologium Oscillatorium, ja sisältää useita merkittäviä parannuksia yli hänen alkuperäinen piirroksia, että vuodelta 1658. Newtonin painovoima muotoiltaisiin vasta vuonna 1687.,
Christiaan Huygens, 1673
heilurin kellon, todennäköisesti, oli ensimmäinen kokeellinen osoitus meillä oli, että painovoima ei ole yhtenäinen koko Maan pinnan. Jo ennen ennakot Isaac Newton, se oli tiedossa, että heiluri — jos keinu on pieni, että ilmanvastus on merkityksetön, ja lämpötila ja pituus pysyy vakiona — se on aina vie saman verran aikaa suorittaa täydessä vauhdissa., Mutta aika, jonka heiluri heilahtaa, vaihtelee maan pinnalla, ei vain pituuden, vaan kahden muun tekijän: korkeuden ja leveysasteen suhteen.
– Se oli suuri vihje kohti sitä, että voimme nyt ottaa itsestäänselvyytenä: se vetovoima Maasta riippuu etäisyys planeettamme keskus, pikemminkin kuin olla yhtenäinen koko pinnalle. Se, että Maapallo pyörii akselinsa ympäri, ja että kierto aiheuttaa päiväntasaajan pullistuma verrattuna pylväät, tarkoittaa sitä, että heiluri kestää kauemmin täydellinen värähtely kuten painovoima heikkenee., Mikä tahansa heilurikello on siis kalibroitava juuri sen gravitaatiokentän mukaan,missä olet. Amerikan ensimmäinen kello oli näyttävä osoitus tästä vaikutuksesta, jonka perimmäinen syy oli itse painovoimalaki!
