Ето защо първите часовници са работили неправилно в САЩ

В продължение на почти три века най-точният начин за отчитане на времето за човечеството е бил часовникът с махало. От появата 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 възможност на хората да организират графиците си според един общ стандарт. Първоначално изобретен в Нидерландия от Кристиан Хюйгенс през 1656 г., ранният дизайн бързо е подобрен, за да се увеличи значително точността. Веднага след това часовниците с махало се превръщат в нещо обичайно, като позволяват точно измерване на времето с точност до ~2 секунди на ден.

Но когато първите часовници с махало били пренесени в Америка, се случило нещо странно. Часовниците, които прекрасно работели в Европа, първоначално били синхронизирани с известни астрономически явления като залез/изгрев и залез/изгрев на Луната. Но след една-две седмици в Америка станало ясно, че часовниците не показват точното време. Първите часовници в Америка се оказали пълен провал, но това било само началото на една история, която по-късно щяла да промени разбирането ни за физиката и гравитацията на планетата Земя.

В продължение на хиляди години учените не са имали по-добър начин за определяне на времето от древния слънчев часовник. Но в началото на 1600 г. научните изследвания на махалото, и по-специално наблюдението на Галилей, че периодът на махалото се определя единствено от неговата дължина, довеждат до идеята, че махалото теоретично може да се използва 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 период. Галилео обсъжда тази идея през 1637 г. и въпреки че умира през 1642 г., идеята не само продължава да живее, но и оказва влияние върху цяло поколение учени, които тепърва започват своя път.

Началото

През 1656 г. Кристиан Хюйгенс, работещ в Нидерландия, изобретява първия работещ часовник с махало, който се оказва едновременно примитивен и революционен в редица отношения. През следващите няколко десетилетия в часовниците с махало се правят подобрения, които ги усъвършенстват още повече, включително и от страна на изобретателите:

• Скъсен е задвижващият механизъм, така че да завърта само малки ъгли. Това увеличава точността
• Удължаване на махалото и поставяне на тежка тежест в края на махалото. Това увеличава дълготрайността на часовника,
• Стандартизиране дължината на махалото до 0,994 метра. Това означава, че всяко „люлеене“ на махалото от една страна на друга трае точно една секунда. Секундно махало
• Добавена е и минутна стрелка. Това е възможно, тъй като часовникът вече е достатъчно точен. Той вече може да измерва части от часа с точност до една минута.

Проблемът

Всички тези нововъведения са направени преди 1700 г. Това е изумителен набор от постижения за кратък период от време. Най-големият „източник на грешка“ в тези часовници с махало е свързан с температурните колебания: дължината на махалото се увеличава или намалява, когато материалите, от които са направени, се разширяват или свиват в зависимост от температурата. Разработването на температурно компенсираното махало, при което периодът на люлеене не се променя дори при температурни промени, позволява часовниците с махало да бъдат с точност до няколко секунди на седмица. Първите американски часовници се появяват едва няколко десетилетия след това откритие. Така че първите опити за определяне на времето в Америка се основават на устройства, пренесени от Европа.

Именно тук възниква голямата загадка на измерването на времето. Това става, когато първите часовници с махало са пренесени от Европа в Америка. Часовниците, построени и калибрирани в Нидерландия, били изключително точни. Часовете на залез/изгрев и залез/изгрев на Луната се наблюдавали прецизно в продължение на седмици, звездите изгрявали и залязвали с точност до минута от предвиденото време. При това без да е необходимо допълнително калибриране, докато не минел около един пълен месец.

Но след като часовникът бил пренесен в Америка, навит и започнал да тиктака, нещата съвсем скоро се объркали.

След една седмица хората забелязали, че Слънцето и Луната не изгряват и не залязват в предвиденото време според новия часовник. Нещо повече, с всеки изминал ден това несъответствие ставало все по-голямо и по-ясно изразено. Макар че часовникът трябвало да бъде с точност до 2 секунди на ден, или около 15 секунди на седмица, било забелязано, че той изостава с над 30 секунди на ден. В края на първата седмица часовникът вече изостава с около 4-5 минути, което било напълно неприемлива грешка.

Очевидното заключение било, че часовникът е претърпял някаква повреда по време на трансатлантическото пътуване, при което е бил транспортиран от Европа до Америка. Затова потребителите направили единственото, което можели: изпратили часовника обратно на производителя за ремонт. След още едно трансатлантическо пътуване часовникът бил върнат от Америка в Нидерландия. При пристигането си часовникът бил навит, наблюдаван и сравняван с всички други начини за определяне на времето, които им били известни. Включително с други часовници, слънчеви часовници, изгрева и залеза на небесните тела.

Гравитацията

Въпреки оплакванията от лошото качество на измерването на времето в Америка, когато часовниците били настроени правилно отново в Европа, те започнали да показват времето с точност до 2 секунди на ден. С други думи, часовникът се оказал напълно точен. Без каквито и да било повреди.

Когато производителят от Европа върнал същия този часовник обратно в Америка, клиентите отново се сблъскали със същото явление. Часовникът, който в Европа е показвал напълно точно времето, в Америка отново започнал да работи с грешна скорост. Причината за това била абсолютно непонятна за всеки жител на Америка.

Земята

Тук, на Земята, махалото се движи под действието на силата на тежестта. Ако отклоните махалото от положението на равновесие, гравитацията ще го придърпа обратно. Периодът на трептене на махалото е свързан с неговата дължина. Ако искате да удвоите периода, трябва да увеличите четири пъти дължината на махалото. Махало с дължина 0,994 м ще се върне в първоначалното си положение 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 т.н.

Но преди Нютон погрешно сме вярвали, че гравитацията действа по един и същи начин по цялата повърхност на Земята. Считало се е, че ускорението, причинено от гравитацията, е с една и съща големина по цялата повърхност на Земята. Вместо това гравитацията действа, като ви придърпва към центъра на Земята, въпреки че цялата маса на планетата ви придърпва. Тъй като Земята се върти около оста си, тя е изпъкнала на екватора и свита на полюсите. Разликата е малка, но все пак доста значителна, и поради това Земята няма формата на идеална топка, а на сплескан сфероид. От гледна точка на гравитацията това означава, че човек, намиращ се на някой от земните полюси (или на големите географски ширини), е по-близо до центъра на Земята, отколкото човек, намиращ се на екватора (или на малките географски ширини).

Средното ускорение при свободно падане обикновено се изразява в 9,81 м/с². На полюсите, където се намирате най-близо до центъра на Земята, гравитационното ускорение е малко по-голямо от средното: 9,83 м/с². На екватора, където сте най-отдалечени от центъра на Земята, гравитационното ускорение е малко по-малко от средното: 9,78 м/с². Стойността се променя постепенно, докато се движите от полюса към екватора и след това към противоположния полюс. Въпреки че този ефект обикновено може да бъде пренебрегнат, той може да се натрупа с течение на времето. Това означава, че може да стане твърде значителен за определен по-дълъг период от време.

Изчисленията

Нека си представим, че сме сглобили часовник с махало дълго точно 0,994 метра: това е така нареченото секундно махало. Половината от всеки период на люлеене на махалото трябва да отнема точно 1 секунда. И тъй като знаем, че в едно 24-часово денонощие има 86 400 секунди, теоретично знаем как да измерим един ден: просто разделяме 86 400 на 2 и получаваме 43 200. Измерването на този брой пълни завъртания на секундарното махало, 43 200, би трябвало да даде общо един пълен ден, или 86 400 секунди.

Това се получава, когато преброим 43 200 люлеения на това махало, в зависимост от нашата местна стойност на ускорението на свободното падане, параметър, известен като g:

• g = 9,83 м/с²: часовникът се ускорява с 1 минута и 26 секунди на ден,
• g = 9,82 м/с²: часовникът се ускорява с 42 секунди на ден,
• g = 9,81 м/s²: часовникът се забавя с 2 секунди на ден,
• g = 9,80 м/с²: часовникът изостава с 46 секунди на ден,
• g = 9,79 м/с²: часовникът изостава с 1 минута и 30 секунди на ден,
• g = 9,78 м/сек²: часовникът изостава с 2 минути и 14 секунди на ден.

Изводите

Часовникът с махало може би е първото експериментално доказателство, че гравитацията не е равномерна на повърхността на Земята. Още преди постиженията на Исак Нютон е било известно, че махалото – ако люлеенето му е малко, съпротивлението на въздуха е пренебрежимо малко, а температурата и дължината остават постоянни. То винаги има нужда от едно и също време, за да направи пълен замах. Но времето, необходимо на махалото да се люлее, варира на повърхността на Земята не само в зависимост от дължината му, но и от два други фактора: надморската височина и географската ширина, които определят истинското разстояние от гравитационния център на Земята.

Това е важен намек за факт, който днес приемаме за даденост: гравитационното привличане на Земята зависи от разстоянието до центъра на нашата планета, а не е равномерно по цялата ѝ повърхност. Фактът, че Земята се върти около оста си и това въртене кара екватора да бъде по-изпъкнал в сравнение с полюсите, означава, че на махалото му е необходимо повече време, за да завърши люлеенето си, тъй като гравитацията става по-слаба. Затова всеки часовник с махало трябва да бъде калибриран така, че да съответства на моделите на гравитационното поле, в което се намира. Първите часовници в Америка бяха ясна демонстрация на този ефект, а първопричината е самият закон за гравитацията.