Основной принцип: изохронизм
Основной концепцией точности маятника является принцип, известный как изохронизм. Изохронизм, впервые подробно изученный Галилео Галилеем в конце 16 века, означает, что время, необходимое маятнику для совершения одного полного качания (его периода), постоянно, независимо от ширины колебания (амплитуда), при условии, что колебание небольшое. Для простого маятника этот период определяется почти исключительно двумя факторами: его длиной и местным ускорением силы тяжести.
Эта замечательная стабильность делает маятник отличным устройством для измерения времени. В отличие от других осцилляторов того времени, его ритм был предсказуемым и надежным. Это открытие заложило основу для разработки первых точных механических часов, изменивших науку, навигацию и повседневную жизнь.
Ключевые факторы, влияющие на точность маятника
Хотя основной принцип прост, достижение высокой точности требует учета нескольких факторов окружающей среды и физических факторов, которые могут изменить период маятника. Эти переменные находятся в центре внимания часовщиков и физиков, стремящихся к максимальной точности.
- Длина. Это наиболее важный фактор. Период маятника пропорционален квадратному корню из его длины. Даже незначительное изменение длины стержня маятника приведет к заметному изменению его хронометража. По этой причине точные маятниковые часы оснащены механизмами точной регулировки длины.
- Гравитация. Период также зависит от местного гравитационного ускорения (g). Поскольку гравитация незначительно меняется в зависимости от широты и высоты, маятниковые часы, откалиброванные в Лондоне, будут идти с другой скоростью, если их перенести на вершину горы или на экватор.
- Температура. Материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Изменение температуры окружающей среды изменит физическую длину стержня маятника, что напрямую повлияет на его период. В более теплой комнате стержень удлинится, маятник будет качаться медленнее, а часы будут терять время. Часовщики изобрели компенсационные маятники, такие как маятник с колосником, используя различные металлы для противодействия этому эффекту.
- Амплитуда. Принцип изохронности — это приближение, справедливое для малых углов. При больших колебаниях период фактически немного увеличивается. Поэтому в прецизионных часах используются длинные маятники и небольшие поворотные дуги, чтобы минимизировать эту круговую ошибку.
- Сопротивление воздуха и трение. Сопротивление воздуха (затухание) и трение в точке поворота неизбежно замедлят движение маятника. Чтобы они продолжали колебаться, спусковой механизм часов должен обеспечивать небольшой толчок при каждом цикле. Это вмешательство, каким бы хорошо спланированным оно ни было, может внести в данный период свои незначительные несоответствия.
Маятниковые часы: революция в хронометрировании
До появления маятника устройства для измерения времени были общеизвестно неточны: они часто теряли или опережали 15 и более минут в день. Изобретение маятниковых часов Христианом Гюйгенсом в 1656 году стало монументальным скачком вперед. Его первые разработки позволили повысить точность до минуты в день.
В течение следующих двух столетий инновации продолжали расширять границы точности. Изобретение якорного спуска, а затем и спускового механизма с мертвым ходом уменьшило помехи, необходимые для поддержания качания маятника. Разработка маятников с температурной компенсацией, таких как маятник Джона Харрисона, почти устранила тепловую ошибку. К концу 19-го и началу 20-го веков мастерски сконструированные часы-регуляторы, часто размещавшиеся в вакуумных камерах для устранения колебаний давления воздуха, могли достигать точности в несколько секунд в год. Часы Shortt-Synchronome, электромеханическая система 1920-х годов, считались самым точным хронометристом в мире до появления кварцевых часов.
Сравнение маятников с современными хронометристами
Более 250 лет маятник был бесспорным стандартом точного измерения времени. Однако технологии 20-го века представили новые стандарты, которые действуют на совершенно иных принципах.Кварцевый генератор, разработанный в 1920-х годах и десятилетия спустя внедренный в производство часов, вибрирует миллионы раз в секунду, обеспечивая большую стабильность и точность в гораздо меньшем корпусе, чем лучшие механические часы.
Наивысшим современным стандартом являются атомные часы, которые используют резонансную частоту атомов (например, цезия-133) в качестве генератора. Эти часы поразительно точны: современные версии имеют точность до одной секунды на протяжении сотен миллионов лет. Хотя высокоточные лабораторные маятниковые часы остаются чудом машиностроения, они не могут конкурировать по стабильности и точности с электронными и атомными хронометрами, которые сейчас определяют глобальные стандарты времени, такие как Всемирное координированное время (UTC).
Часто задаваемые вопросы
-
Являются ли маятники абсолютно точными?
Нет, маятник не является абсолютно точным. Его точность ограничена физическими факторами, такими как изменения температуры, которые изменяют его длину, изменения местной силы тяжести, сопротивление воздуха и трение на оси. Однако при тщательном проектировании их можно сделать невероятно точными, намного превосходя любые хронометристы, существовавшие до них.
-
Почему длина маятника влияет на его точность?
Период качания маятника напрямую зависит от его длины. В частности, период пропорционален квадратному корню из длины. Это означает, что более длинный маятник имеет более длительный период (качается медленнее), а более короткий маятник имеет более короткий период (качается быстрее). Любое изменение длины, даже микроскопическое, приведет к изменению скорости хронометража, что делает длину наиболее важной переменной для контроля точности.
-
Можно ли использовать маятник для измерения гравитации?
Да, и с большой точностью. Поскольку период маятника зависит как от его длины (L), так и от местного ускорения силы тяжести (g), если вы можете точно измерить длину и период, вы можете вычислить силу тяжести. Этот прибор, известный как гравиметр, веками использовался в геофизике для обнаружения тонких изменений гравитационного поля Земли.