Ето защо първите часовници са работили неправилно в САЩ
В продължение на съвсем три века най-точният метод за отчитане на времето за човечеството е бил часовникът с махало. От появяването си през XVII в. до изобретяването на кварцовите часовници през 20-те години на XX в. часовниците с махало стават неразделна част от домашния живот. Те дават опция на хората да провеждат графиците си съгласно един общ стандарт. Първоначално изобретен в Нидерландия от Кристиан Хюйгенс през 1656 година, ранният дизайн бързо е усъвършенстван, с цел да се усили доста точността. Веднага по-късно часовниците с махало се трансформират в нещо всекидневно, като разрешават тъкмо премерване на времето с акуратност до ~2 секунди дневно.
Но когато първите часовници с махало били пренесени в Америка, се случило нещо необичайно. Часовниците, които прелестно работели в Европа, в началото били синхронизирани с известни астрономически феномени като залез/изгрев и залез/изгрев на Луната. Но след една-две седмици в Америка станало ясно, че часовниците не демонстрират точното време. Първите часовници в Америка се оказали цялостен неуспех, само че това било единствено началото на една история, която по-късно щяла да промени разбирането ни за физиката и гравитацията на планетата Земя.
Първата рисунка на концепцията за часовник с махало е направена от Галилео Галилей.Той се пробва да употребява равномерния интервал на люшкане на махалото, с цел да сътвори работеща машина за премерване на времето. Устройството по този начин и не е приключено нито от Галилео Галилей, нито от сина му. Първият часовник с махало е издигнат едвам през 1656 година от Кристян Хюйгенс. В продължение на хиляди години учените не са имали по-добър метод за установяване на времето от античния безоблачен часовник. Но при започване на 1600 година научните проучвания на махалото, и по-специално наблюдението на Галилей, че интервалът на махалото се дефинира само от неговата дължина, довеждат до концепцията, че махалото теоретично може да се употребява като часовник. Измерването не би зависело нито от дебелината на самото махало, нито от масата на тежестта в края му, нито от ъгъла, под който е повдигнато махалото. Единствено дължината на махалото би имала отношение към неговия интервал. Галилео разисква тази концепция през 1637 година и макар че умира през 1642 година, концепцията освен продължава да живее, само че и оказва въздействие върху цяло потомство учени, които занапред стартират своя път.
Началото
През 1656 година Кристиан Хюйгенс, работещ в Нидерландия, изобретява първия работещ часовник с махало, който се оказва по едно и също време първичен и революционен в редица връзки. През идващите няколко десетилетия в часовниците с махало се вършат усъвършенствания, които ги усъвършенстват още повече, в това число и от страна на изобретателите:
Скъсен е задвижващият механизъм, тъй че да завърта единствено дребни ъгли. Това усилва точността Удължаване на махалото и слагане на тежка тежест в края на махалото. Това усилва дълготрайността на часовника, Стандартизиране дължината на махалото до 0,994 метра. Това значи, че всяко „ люшкане “ на махалото от една страна на друга трае тъкмо една секунда. Секундно махало Добавена е и минутна стрелка. Това е допустимо, защото часовникът към този момент е задоволително прецизен. Той към този момент може да мери елементи от часа с акуратност до една минута.
Преден аспект (вляво). Страничен изглед/чертежи (вдясно) на първия в историята часовник с махало. То е издигнато през 1656/7 година по план на Кристиан Хюйгенс и Саломон Костер. Чертежите са взети от трактата „ Хорология “ на Хюйгенс от 1658 година Впоследствие са направени доста усъвършенствания на този първичен план, даже преди Нютон да открие гравитацията. Проблемът
Всички тези нововъведения са направени преди 1700 година Това е удивителен набор от достижения за къс интервал от време. Най-големият „ източник на неточност “ в тези часовници с махало е обвързван с температурните съмнения: дължината на махалото се усилва или понижава, когато материалите, от които са направени, се уголемяват или свиват според от температурата. Разработването на температурно обезщетеното махало, при което интервалът на люшкане не се трансформира даже при температурни промени, разрешава часовниците с махало да бъдат с акуратност до няколко секунди на седмица. Първите американски часовници се появяват едвам няколко десетилетия по-късно изобретение. Така че първите опити за установяване на времето в Америка се основават на устройства, пренесени от Европа.
Именно тук поражда огромната мистерия на измерването на времето. Това става, когато първите часовници с махало са пренесени от Европа в Америка. Часовниците, издигнати и калибрирани в Нидерландия, били извънредно точни. Часовете на залез/изгрев и залез/изгрев на Луната се следили точно в продължение на седмици, звездите изгрявали и залязвали с акуратност до минута от плануваното време. При това без да е належащо в допълнение калибриране, до момента в който не минел към един цялостен месец.
Но откакто часовникът бил пренесен в Америка, навит и почнал да тиктака, нещата напълно скоро се объркали.
Пътуването от Европа до Америка през 1600 година нормално значи пътешестване от по-високи географски ширини (по-близо до полюса) до по-ниски, екваториални ширини. Въпреки че този факт е бил всепризнат в тези времена, не е било взето поради, че гравитационното ускоряване, а оттова и интервалът на махалото, също ще бъдат разнообразни. След една седмица хората забелязали, че Слънцето и Луната не изгряват и не залязват в плануваното време съгласно новия часовник. Нещо повече, с всеки минал ден това противоречие ставало все по-голямо и по-ясно изразено. Макар че часовникът трябвало да бъде с акуратност до 2 секунди дневно, или към 15 секунди на седмица, било видяно, че той изостава с над 30 секунди дневно. В края на първата седмица часовникът към този момент изостава с към 4-5 минути, което било изцяло неприемлива неточност.
Очевидното умозаключение било, че часовникът е претърпял някаква щета по време на трансатлантическото пътешестване, при което е бил превозен от Европа до Америка. Затова потребителите създали единственото, което можели: изпратили часовника назад на производителя за ремонт. След още едно трансатлантическо пътешестване часовникът бил върнат от Америка в Нидерландия. При идването си часовникът бил навит, следен и сравняван с всички други способи за установяване на времето, които им били известни. Включително с други часовници, слънчеви часовници, изгрева и залеза на небесните тела.
Гравитацията
Въпреки недоволствата от неприятното качество на измерването на времето в Америка, когато часовниците били настроени вярно още веднъж в Европа, те почнали да демонстрират времето с акуратност до 2 секунди дневно. С други думи, часовникът се оказал изцяло прецизен. Без каквито и да било повреди.
Ако тежестта е в долната част на махалото и съпротивлението на въздуха, температурните промени и резултатът на огромния ъгъл могат да бъдат подценени. То тогава махалото ще резервира интервала на съмнение под въздействието на същото гравитационно ускоряване. Фактът, че едно и също махало се люлеело с друга скорост на разнообразни места в Европа и Америка, бил очевиден намек за особеностите на гравитацията. Когато производителят от Европа върнал същия този часовник назад в Америка, клиентите още веднъж се сблъскали със същото събитие. Часовникът, който в Европа е показвал изцяло тъкмо времето, в Америка още веднъж почнал да работи с неверна скорост. Причината за това била безусловно неразбираема за всеки гражданин на Америка.
По принцип интервалът на махалото се дефинира единствено от два фактора: дължината на махалото (по-дългото махало се люлее по-дълго) и силата на тежестта (по-голямата тежест кара махалото да се люлее по-бързо). Ето за какво часовниците с махало не са универсални, а би трябвало да бъдат калибрирани по отношение на характерното гравитационно ускоряване в тяхното съответно местонахождение. Земята
Тук, на Земята, махалото се движи под действието на силата на тежестта. Ако отклоните махалото от ситуацията на равновесие, гравитацията ще го придърпа назад. Периодът на вибриране на махалото е обвързван с неговата дължина. Ако желаете да удвоите интервала, би трябвало да увеличите четири пъти дължината на махалото. Махало с дължина 0,994 м ще се върне в първичното си състояние за 2 секунди; махало с дължина 0,2485 м ще се върне за 1 секунда. А махало с дължина 3,974 м ще се върне за 4 секунди и така нататък
Но преди Нютон неправилно сме вярвали, че гравитацията работи по един и същи метод по цялата повърхнина на Земята. Считало се е, че ускорението, породено от гравитацията, е с една и съща величина по цялата повърхнина на Земята. Вместо това гравитацията работи, като ви придърпва към центъра на Земята, макар че цялата маса на планетата ви придърпва. Тъй като Земята се върти към оста си, тя е изпъкнала на екватора и свита на полюсите. Разликата е дребна, само че въпреки всичко много забележителна, и заради това Земята няма формата на идеална топка, а на сплеснат сфероид. От позиция на гравитацията това значи, че човек, намиращ се на някой от земните полюси (или на огромните географски ширини), е по-близо до центъра на Земята, в сравнение с човек, намиращ се на екватора (или на дребните географски ширини).
Диаметърът на Земята е 12 756 км на екватора. И единствено 12 714 км на полюсите. Стоейки на Северния полюс, вие се намирате на 21 километра по-близо до центъра на Земята, в сравнение с екватора. Тази разлика значително се дължи на въртенето на Земята към оста ѝ. Проявява се като значим резултат в изменението на гравитационното поле на Земята според от географската широчина. Средното ускоряване при свободно рухване нормално се показва в 9,81 м/с². На полюсите, където се намирате най-близо до центъра на Земята, гравитационното ускоряване е малко по-голямо от междинното: 9,83 м/с². На екватора, където сте най-отдалечени от центъра на Земята, гравитационното ускоряване е малко по-малко от междинното: 9,78 м/с². Стойността се трансформира последователно, до момента в който се движите от полюса към екватора и по-късно към противоположния полюс. Въпреки че този резултат нормално може да бъде подценен, той може да се натрупа с течение на времето. Това значи, че може да стане прекомерно забележителен за избран по-дълъг интервал от време.
Гравитационното поле на Земята варира освен според от географската широчина, само че и от надморската височина, както и от други фактори. По-конкретно от дебелината на земната кора и от обстоятелството, че земната кора в действителност се носи над мантията. В резултат на това ускорението на свободното рухване на повърхността на Земята варира с няколко десети от %. Изчисленията
Нека си представим, че сме сглобили часовник с махало дълго тъкмо 0,994 метра: това е по този начин нареченото секундно махало. Половината от всеки интервал на люшкане на махалото би трябвало да лишава тъкмо 1 секунда. И защото знаем, че в едно 24-часово денонощие има 86 400 секунди, теоретично знаем по какъв начин да измерим един ден: просто разделяме 86 400 на 2 и получаваме 43 200. Измерването на този брой цялостни завъртания на секундарното махало, 43 200, би трябвало да даде общо един цялостен ден, или 86 400 секунди.
Това се получава, когато преброим 43 200 люлеения на това махало, според от нашата локална стойност на ускорението на свободното рухване, параметър, прочут като g:
g = 9,83 м/с²: часовникът се форсира с 1 минута и 26 секунди дневно, g = 9,82 м/с²: часовникът се форсира с 42 секунди дневно, g = 9,81 м/s²: часовникът се забавя с 2 секунди дневно, g = 9,80 м/с²: часовникът изостава с 46 секунди дневно, g = 9,79 м/с²: часовникът изостава с 1 минута и 30 секунди дневно, g = 9,78 м/сек²: часовникът изостава с 2 минути и 14 секунди дневно.Изводите
Часовникът с махало може би е първото пробно доказателство, че гравитацията не е равномерна на повърхността на Земята. Още преди достиженията на Исак Нютон е било известно, че махалото – в случай че люлеенето му е малко, съпротивлението на въздуха е пренебрежимо малко, а температурата и дължината остават непрекъснати. То постоянно има потребност от едно и също време, с цел да направи цялостен размах. Но времето, належащо на махалото да се люлее, варира на повърхността на Земята освен според от дължината му, само че и от два други фактора: надморската височина и географската широчина, които дефинират същинското разстояние от гравитационния център на Земята.
Това е значим намек за факт, който през днешния ден одобряваме за даденост: гравитационното привличане на Земята зависи от дистанцията до центъра на нашата планета, а не е отмерено по цялата ѝ повърхнина. Фактът, че Земята се върти към оста си и това въртене кара екватора да бъде по-изпъкнал спрямо полюсите, значи, че на махалото му е належащо повече време, с цел да приключи люлеенето си, защото гравитацията става по-слаба. Затова всеки часовник с махало би трябвало да бъде калибриран по този начин, че да подхожда на моделите на гравитационното поле, в което се намира. Първите часовници в Америка бяха ясна проява на този резултат, а първопричината е самият закон за гравитацията.
