Ρολόι Huygens με ρυθμιστή εκκρεμούς και διαφυγή ατράκτου
Οι πιο σημαντικές βελτιώσεις στον μηχανισμό του ρολογιού έγιναν στο δεύτερο μισό του 17ου αιώνα από τον διάσημο Ολλανδό φυσικό Huygens, ο οποίος δημιούργησε νέους ρυθμιστές τόσο για τα ρολόγια ελατηρίου όσο και για τα ρολόγια βάρους. Ο ζυγός που χρησιμοποιήθηκε πριν για αρκετούς αιώνες είχε πολλές ελλείψεις. Είναι ακόμη δύσκολο να τον αποκαλέσεις ρυθμιστή με τη σωστή έννοια της λέξης. Εξάλλου, ο ρυθμιστής πρέπει να είναι ικανός για ανεξάρτητες ταλαντώσεις με τη δική του συχνότητα. Ο ροκάς ήταν, γενικά, μόνο ένα σφόνδυλο. Πολλοί εξωγενείς παράγοντες επηρέασαν τη δουλειά του, κάτι που αντικατοπτρίστηκε στην ακρίβεια του ρολογιού. Ο μηχανισμός έγινε πολύ πιο τέλειος όταν το εκκρεμές χρησιμοποιήθηκε ως ρυθμιστής.
Για πρώτη φορά, η ιδέα να χρησιμοποιηθεί ένα εκκρεμές στα πιο απλά όργανα για τη μέτρηση του χρόνου ήρθε στον μεγάλο Ιταλό επιστήμονα Galileo Galilei. Υπάρχει ένας μύθος ότι το 1583 ο δεκαεννιάχρονος Γαλιλαίος, ενώ βρισκόταν στον καθεδρικό ναό της Πίζας, τράβηξε την προσοχή στην αιώρηση του πολυελαίου. Παρατήρησε, μετρώντας τους παλμούς του παλμού, ότι ο χρόνος μιας ταλάντωσης του πολυελαίου παρέμενε σταθερός, αν και η ταλάντευση γινόταν όλο και μικρότερη. Αργότερα, ξεκινώντας μια σοβαρή μελέτη των εκκρεμών, ο Galileo διαπίστωσε ότι με μια μικρή ταλάντευση (πλάτος) ταλάντευσης (μόνο λίγες μοίρες), η περίοδος ταλάντωσης του εκκρεμούς εξαρτάται μόνο από το μήκος του και έχει σταθερή διάρκεια. Τέτοιες ταλαντώσεις έγιναν γνωστές ως ισόχρονες. Είναι πολύ σημαντικό ότι στις ισόχρονες ταλαντώσεις η περίοδος ταλάντωσης του εκκρεμούς δεν εξαρτάται από τη μάζα του. Χάρη σε αυτή την ιδιότητα, το εκκρεμές αποδείχθηκε ότι ήταν ένα πολύ βολικό όργανο για τη μέτρηση σύντομων χρονικών περιόδων. Με βάση αυτό, ο Γαλιλαίος ανέπτυξε αρκετούς απλούς μετρητές που χρησιμοποίησε στα πειράματά του. Αλλά λόγω της σταδιακής απόσβεσης των ταλαντώσεων, το εκκρεμές δεν μπορούσε να χρησιμεύσει για τη μέτρηση μεγάλων χρονικών περιόδων.
Η δημιουργία των ρολογιών εκκρεμούς συνίστατο στη σύνδεση ενός εκκρεμούς με μια συσκευή για τη διατήρηση των ταλαντώσεων του και την καταμέτρησή τους. Στο τέλος της ζωής του, ο Galileo άρχισε να σχεδιάζει τέτοια ρολόγια, αλλά τα πράγματα δεν προχώρησαν περισσότερο από τις εξελίξεις. Τα πρώτα ρολόγια με εκκρεμές δημιουργήθηκαν μετά τον θάνατο του μεγάλου επιστήμονα από τον γιο του. Ωστόσο, η συσκευή αυτών των ρολογιών κρατήθηκε σε απόλυτη εχεμύθεια, επομένως δεν είχαν καμία επιρροή στην ανάπτυξη της τεχνολογίας. Ανεξάρτητα από τον Γαλιλαίο, το 1657 ο Huygens συναρμολόγησε ένα μηχανικό ρολόι με ένα εκκρεμές. Κατά την αντικατάσταση του βραχίονα με ένα εκκρεμές, οι πρώτοι σχεδιαστές αντιμετώπισαν ένα δύσκολο πρόβλημα: όπως ήδη αναφέρθηκε, το εκκρεμές δημιουργεί ισόχρονες ταλαντώσεις μόνο σε μικρό πλάτος, εν τω μεταξύ, η διαφυγή της ατράκτου απαιτούσε μεγάλο άνοιγμα. Τις πρώτες ώρες του Huygens, η ταλάντευση του εκκρεμούς έφτασε τις 40-50 μοίρες, γεγονός που επηρέασε αρνητικά την ακρίβεια της κίνησης. Για να αντισταθμίσει αυτό το μειονέκτημα, ο Χάιγκενς έπρεπε να επιδείξει θαύματα ευρηματικότητας. Στο τέλος, δημιούργησε ένα ειδικό εκκρεμές, το οποίο κατά την αιώρηση άλλαξε μήκος και ταλαντώθηκε κατά μήκος μιας κυκλοειδούς καμπύλης. Τα ρολόγια του Huygens ήταν ασύγκριτα πιο ακριβή από τα ρολόγια με
κουνιστή πολυθρόνα. Το ημερήσιο σφάλμα τους δεν ξεπερνούσε τα 10 δευτερόλεπτα (σε ρολόγια με ρυθμιστή ζυγού, το σφάλμα κυμαινόταν από 15 έως 60 λεπτά).
Ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα από την ιστορία της εφαρμογής των φυσικών ανακαλύψεων είναι η ιστορία των ρολογιών.
Το 1583, ο δεκαεννιάχρονος μαθητής Galileo Galilei, παρατηρώντας τις δονήσεις ενός πολυελαίου σε έναν καθεδρικό ναό, παρατήρησε ότι η χρονική περίοδος κατά την οποία εμφανίζεται μια δόνηση είναι σχεδόν ανεξάρτητη από το πλάτος των δονήσεων. Για να μετρήσει το χρόνο, ο νεαρός Γαλιλαίος χρησιμοποίησε τον σφυγμό του, γιατί τότε δεν υπήρχαν ακριβή ρολόγια. Έτσι ο Γαλιλαίος έκανε την πρώτη του ανακάλυψη. Στη συνέχεια, έγινε μεγάλος επιστήμονας (θα συναντήσουμε το όνομά του περισσότερες από μία φορές στις σελίδες αυτού του σχολικού βιβλίου).
Αυτή η ανακάλυψη του Γαλιλαίου χρησιμοποιήθηκε τον 17ο αιώνα από τον Ολλανδό φυσικό Christian Huygens (θα μάθουμε για τις ανακαλύψεις του στο γυμνάσιο όταν μελετήσουμε τα φωτεινά φαινόμενα). Ο Huygens σχεδίασε το πρώτο ρολόι με εκκρεμές: σε αυτά, ο χρόνος μετριέται με τον αριθμό των κραδασμών ενός βάρους που αιωρείται σε μια ράβδο. Τα ρολόγια εκκρεμούς ήταν πολύ πιο ακριβή από τους προκατόχους τους - κλεψύδρες, ρολόγια νερού και ηλιακά ρολόγια: υστερούσαν ή βιάζονταν μόνο 1-2 λεπτά την ημέρα. Και σήμερα, σε ορισμένα σπίτια, μπορείτε ακόμα να δείτε ρολόγια εκκρεμούς (Εικ. 2.4, α): χτυπούν μετρημένα, μετατρέποντας δευτερόλεπτα του μέλλοντος σε δευτερόλεπτα του παρελθόντος.
Ρύζι. 2.4. Τα πρώτα ακριβή ρολόγια ήταν ρολόγια εκκρεμούς, αλλά ήταν αρκετά ογκώδη (α). Τα ανοιξιάτικα ρολόγια είναι πολύ πιο βολικά - μπορούν να φορεθούν στο χέρι (β). Τα πιο συνηθισμένα σήμερα είναι τα ρολόγια χαλαζία (c)
Ωστόσο, τα ρολόγια εκκρεμούς είναι μάλλον ογκώδη: μπορούν να τοποθετηθούν στο πάτωμα ή να κρεμαστούν στον τοίχο, αλλά δεν μπορούν να τοποθετηθούν σε μια τσέπη ή να φορεθούν στο μπράτσο. Τον 17ο αιώνα, ο Άγγλος φυσικός Ρόμπερτ Χουκ, μελετώντας τις ιδιότητες των ελατηρίων, ανακάλυψε τον νόμο που αργότερα πήρε το όνομά του (θα τον γνωρίσουμε σύντομα). Μία από τις συνέπειες του νόμου του Χουκ είναι παρόμοια με την ανακάλυψη του νεαρού Γαλιλαίου: αποδεικνύεται ότι η χρονική περίοδος κατά την οποία το ελατήριο κάνει μία ταλάντωση είναι επίσης σχεδόν ανεξάρτητη από το πλάτος των ταλαντώσεων. Αυτό επέτρεψε την κατασκευή ανοιξιάτικων ρολογιών (18ος αιώνας). Οι κύριοι ωρολογοποιοί έμαθαν να τα κάνουν τόσο μικρά ώστε να μπορούν να τα μεταφέρουν στην τσέπη ή στο χέρι (εικ. 2.4, β). Η ακρίβεια ενός ρολογιού ελατηρίου είναι περίπου ίδια με του ρολογιού με εκκρεμές, αλλά το ρολόι του ελατηρίου πρέπει να τυλίγεται κάθε μέρα, και επιπλέον, μερικές φορές αρχίζουν να βιάζονται ή να καθυστερούν ή ακόμα και να σταματούν εντελώς. Πόσοι άνθρωποι άργησαν για ένα τρένο ή ένα ραντεβού μόνο και μόνο επειδή το ρολόι τους ήταν αργό ή ξέχασαν να το ξεκινήσουν εκείνη τη μέρα!
Τον 20ο αιώνα, μελετώντας τις ηλεκτρικές ιδιότητες του χαλαζία (ένα κοινό ορυκτό), επιστήμονες και μηχανικοί δημιούργησαν ρολόγια χαλαζία - πολύ πιο αξιόπιστα και ακριβή από τα ελατήρια. Τα ρολόγια χαλαζία δεν χρειάζεται να τυλίγονται: λειτουργούν με μπαταρία που διαρκεί αρκετούς μήνες ή και χρόνια και το σφάλμα της πορείας τους δεν είναι περισσότερο από λίγα λεπτά το χρόνο. Στις μέρες μας, τα ρολόγια χαλαζία είναι τα πιο συνηθισμένα (Εικ. 2.4, γ).
Και τα πιο ακριβή σήμερα είναι τα ατομικά ρολόγια, η δράση των οποίων βασίζεται στις δονήσεις των ατόμων.
Επιτάχυνση βαρύτητας
Ο Γαλιλαίος επέστησε την προσοχή στο γεγονός ότι κάθε σώμα που πέφτει πρώτα πετά αργά και μετά όλο και πιο γρήγορα - η κίνησή του επιταχύνεται. Ο επιστήμονας ήθελε να μετρήσει πόσο ακριβώς επιταχύνεται η πτώση, δηλαδή πόσο αυξάνεται η ταχύτητα ενός αντικειμένου που πέφτει κάθε δευτερόλεπτο. Πώς όμως γίνονται τέτοιες μετρήσεις; Το να ρίχνεις μπάλες από έναν ψηλό πύργο είναι άχρηστο: πέφτουν πολύ γρήγορα και ο Galileo δεν είχε τίποτα να μετρήσει μικρές χρονικές περιόδους - τότε δεν υπήρχαν ρολόγια χρονόμετρου.
Ο επιστήμονας αποφάσισε να επιβραδύνει την πτώση ώστε να γίνει προσιτή στη διάσταση με τα πενιχρά μέσα του. Ας υποθέσουμε ότι, αποφάσισε ο Γαλιλαίος, η μπάλα κυλάει σε ένα κεκλιμένο αυλάκι. Εάν η κλίση είναι μικρή, η μπάλα θα κυλήσει τόσο αργά που μπορείτε να παρακολουθήσετε την αλλαγή στην ταχύτητά της.
Ο Γαλιλαίος πήρε μια σανίδα με πάχος τρία δάχτυλα και μήκος δώδεκα πήχεις (στις μετρήσεις μας είναι περίπου επτά μέτρα), την έβαλε στην άκρη και έκοψε μια αυλάκωση κατά μήκος ολόκληρης της σανίδας. Κόλλησε πάνω από το αυλάκι με την πιο λεία περγαμηνή και λειάνισε προσεκτικά και γυάλισε την περγαμηνή έτσι ώστε η μικρή μπρούτζινη σφαίρα να κυλήσει κατά μήκος του αυλακιού χωρίς παρεμβολές.
Ωστόσο, για μετρήσεις, χρειαζόταν ακόμα ένα ρολόι. Υπήρχε κάποιο είδος ρολογιού τότε, αλλά με πολύ ατελές μηχανισμό. Σύγχρονος του Γαλιλαίου, ο αστρονόμος Tycho Brahe αγόρασε ένα μηχανικό ρολόι για το αστεροσκοπείο του, αλλά σχεδόν δεν το χρησιμοποιούσε. Ήταν εξαιρετικά ιδιότροποι και αναξιόπιστοι.
Με μια λέξη, ο Γαλιλαίος δεν είχε ρολόι. Ένα τέτοιο εμπόδιο, φυσικά, δεν μπορούσε να τον σταματήσει. Ο Γαλιλαίος έφτιαξε ένα σπιτικό ρολόι νερού.
Πήρε έναν κουβά, τρύπησε στον πάτο του και έβαλε ένα ποτήρι από κάτω. Ο Γαλιλαίος έριξε νερό στον κουβά και έκλεισε την τρύπα.
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ο επιστήμονας άφησε την μπάλα να κατέβει από το τσουβάλι με το ένα χέρι και έλεγξε το ρολόι του με το άλλο: αφήστε την μπάλα να φύγει και ανοίξτε την τρύπα και μόλις η μπάλα φτάσει στην προβλεπόμενη γραμμή, βουλώνει την τρύπα και αφαιρεί το ποτήρι με το νερό να τρέχει μέσα του.
Ο Γαλιλαίος ζύγισε ένα ποτήρι και προσδιόρισε τα χρονικά διαστήματα με βάση την ποσότητα του νερού που συγκεντρώθηκε σε αυτό. Είπε χαριτολογώντας:
Τα δευτερόλεπτα μου είναι υγρά, αλλά μπορώ να τα ζυγίσω.
Φυσικά, με αυτή τη μέθοδο μέτρησης του χρόνου, ήταν πολύ εύκολο να κάνεις λάθος. Για να μειώσει το μέγεθος ενός πιθανού λάθους, ο Galileo επανέλαβε κάθε πείραμα αρκετές φορές, προσπαθώντας να εκπαιδεύσει τον εαυτό του με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να ανοίξει και να κλείσει μια τρύπα σε έναν κουβά με νερό όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Σε αυτή την ενοχλητική επιχείρηση, ο επιστήμονας απέκτησε μεγάλη δεξιότητα.
Πρώτον, ο Γαλιλαίος εκτόξευσε τη μπάλα από το πάνω άκρο του κεκλιμένου αυλακιού έτσι ώστε να κυλήσει σε όλο το μήκος της. Σε αυτή την περίπτωση, ένα γεμάτο ποτήρι ήταν γεμάτο με νερό. Στη συνέχεια, ο Γαλιλαίος σημάδεψε το αυλάκι κατά μήκος σε τέσσερα ίσα μέρη και άρχισε να παρατηρεί το χρόνο κατά τον οποίο η μπάλα έτρεχε μόνο το ένα τέταρτο ολόκληρης της διαδρομής. Ταυτόχρονα, μαζεύτηκε μόνο μισό φλιτζάνι νερό - ακριβώς το μισό από την πρώτη περίπτωση.
Στη συνέχεια, ο επιστήμονας κύλησε την μπάλα από τη μέση της υδρορροής, δηλαδή την άφησε να τρέξει μέχρι τη μέση και ζύγισε ξανά το τρεχούμενο νερό.
Ο Γαλιλαίος έκανε αρκετές εκατοντάδες τέτοια πειράματα και πείστηκε ότι η πτώση μιας μπάλας κατά μήκος ενός κεκλιμένου αγωγού δεν είναι απλώς επιταχυνόμενη κίνηση, αλλά ομοιόμορφα επιταχυνόμενη.
Η ταχύτητα της μπάλας που πέφτει αυξάνεται ομοιόμορφα - φτάνει κάθε δευτερόλεπτο, ας πούμε, σε ίσες μερίδες. Τα αντικείμενα που πέφτουν ελεύθερα ακολουθούν τον ίδιο νόμο.
Ωστόσο, ο ίδιος ο Γαλιλαίος απέτυχε να μετρήσει με ακρίβεια πόσο αυξάνεται η ταχύτητα των αντικειμένων που πέφτουν - έκανε ένα λάθος που μείωσε την επιτάχυνση ακριβώς, στο μισό. Αυτό το λάθος του Galileo διορθώθηκε από άλλους επιστήμονες. Έχει πλέον διαπιστωθεί ότι ένα σώμα που πέφτει ελεύθερα επιταχύνει την κίνησή του κατά 9,81 μέτρα ανά δευτερόλεπτο σε ένα δευτερόλεπτο.
Η τιμή των 9,81 μέτρων ανά δευτερόλεπτο ονομάζεται επιτάχυνση λόγω βαρύτητας.
<<< Назад
|
Εμπρός >>> |
Αλλά στο σπίτι του στο γραφείο του, που έγινε το πρώτο φυσικό εργαστήριο στον πλανήτη μας, ο Galileo κατάφερε να επιβραδύνει την πτώση. Έγινε προσιτή στο μάτι και προσεκτική, χωρίς βιασύνη μελέτη.
Για αυτό ο Γαλιλαίος κατασκεύασε ένα μακρύ (δώδεκα πήχεις) κεκλιμένο αυλάκι. Από μέσα το ντύθηκε με λεία επιδερμίδα. Και κατέβασε γυαλισμένες μπάλες από σίδηρο, μπρούτζο και κόκαλο κατά μήκος του.
Έκανε, για παράδειγμα.
Ένα νήμα ήταν κολλημένο στη μπάλα, η οποία ήταν στο λούκι. Το πέταξε πάνω από το μπλοκ και κρέμασε ένα βάρος στην άλλη άκρη του, το οποίο μπορούσε να πέσει ή να ανέβει κάθετα. Το βάρος τραβήχτηκε προς τα κάτω από το δικό του βάρος και προς τα πάνω, μέσα από το νήμα, από μια μπάλα από μια κεκλιμένη χοάνη. Ως αποτέλεσμα, η μπάλα και το βάρος κινούνταν όπως ήθελε ο πειραματιστής - πάνω ή κάτω, γρήγορα ή αργά, ανάλογα με την κλίση του αλεξίπτωτου, το βάρος της μπάλας και το βάρος του βάρους. Η μπάλα και το βάρος θα μπορούσαν έτσι να κινηθούν υπό την επίδραση της βαρύτητας. Και αυτή ήταν η πτώση. Αλήθεια, όχι δωρεάν, τεχνητά επιβραδύνθηκε.
Πρώτον, ο Γαλιλαίος βρήκε τον νόμο της σταθερής κατάστασης αυτού του συστήματος: το βάρος του βάρους, πολλαπλασιασμένο με το ύψος του ανυψωμένου άκρου της κεκλιμένης πλάκας, πρέπει να είναι ίσο με το βάρος της μπάλας, πολλαπλασιασμένο με το μήκος του αλεξίπτωτου . Έτσι εμφανίστηκε η συνθήκη ισορροπίας για το σύστημα - ο νόμος του Γαλιλαίου του κεκλιμένου επιπέδου.
Τίποτα δεν έχει ειπωθεί ακόμα για το φθινόπωρο και τα μυστικά του.
Η ακινησία δεν είναι δύσκολο να μελετηθεί: είναι σταθερή στο χρόνο. Περνούν δευτερόλεπτα, λεπτά, ώρες, τίποτα δεν αλλάζει.
Ζυγαριές και χάρακες - αυτό είναι το μόνο που χρειάζεστε για μετρήσεις *.
* (Γι' αυτό, από την αρχαιότητα, άρχισε να αναπτύσσεται η στατική - ένα πεδίο της φυσικής που ασχολείται με κάθε είδους ακινησία: ισορροπημένα βάρη, μπλοκ, μοχλούς. Όλα αυτά είναι απαραίτητα, είναι σημαντικό και χρήσιμο να τα κατανοήσουμε, δεν είναι τυχαίο που ο διάσημος Έλληνας Αρχιμήδης τους αφιέρωσε πολύ χρόνο. Ακόμη και στην ακινησία, παρατήρησε πολλά που χρειάζονται οι εφευρέτες των "πιθανών μηχανών". Ωστόσο, για να είμαστε επιλεκτικοί, αυτό δεν ήταν ακόμα πραγματική φυσική. Ήταν απλώς μια προετοιμασία για αυτό. Η γνήσια φυσική ξεκίνησε με τη μελέτη των κινήσεων.)
Τότε ο Γαλιλαίος άρχισε να μελετά την κίνηση των μπάλων. Αυτή ακριβώς η μέρα ήταν τα γενέθλια της φυσικής (αλίμονο, η ημερολογιακή της ημερομηνία είναι άγνωστη). Γιατί τότε ήταν που η χρονικά μεταβαλλόμενη διαδικασία υποβλήθηκε στην πρώτη εργαστηριακή μελέτη. Δεν χρησιμοποιήθηκαν μόνο χάρακες, αλλά και ρολόγια. Ο Galileo έμαθε να μετράει τη διάρκεια των γεγονότων, δηλαδή να εκτελεί την κύρια λειτουργία που είναι εγγενής σε οποιοδήποτε φυσικό πείραμα.
Ο θρύλος για το εργαστηριακό ρολόι του Γαλιλαίου είναι διδακτικός. Εκείνη την εποχή ήταν αδύνατο να αγοράσει ένα χρονόμετρο στο κατάστημα. Δεν έχουν εφεύρει ακόμη καν περιπατητές. Ο Galileo, από την άλλη, βγήκε από την κατάσταση με έναν πολύ ιδιαίτερο τρόπο. Μετρούσε τον χρόνο με τους παλμούς του και μετά, όπως διαβεβαιώνουν παλιοί βιογράφοι, έφτιαξε ένα καλό εργαστηριακό ρολόι από απροσδόκητα εξαρτήματα: έναν κουβά, μια ζυγαριά και ένα κρυστάλλινο ποτήρι. Στον πάτο του κάδου άνοιξε μια τρύπα από την οποία κυλούσε ένα ομοιόμορφο ρεύμα νερού. Από τον ήλιο, παρατήρησα πόσες ουγγιές νερού έτρεχαν σε μια ώρα και μετά υπολόγισα το βάρος του νερού που έτρεχε σε ένα λεπτό και ένα δευτερόλεπτο.
Και εδώ είναι η εμπειρία. Ο επιστήμονας κατεβάζει την μπάλα μέσα στο αυλάκι και αμέσως αντικαθιστά ένα ποτήρι κάτω από το ρεύμα. Όταν η μπάλα φτάσει σε ένα προκαθορισμένο σημείο, σπρώχνει γρήγορα το ποτήρι μακριά. Όσο περισσότερο κυλούσε η μπάλα, τόσο περισσότερο νερό έρεε. Μένει να μπει στη ζυγαριά - και ο χρόνος μετριέται. Γιατί όχι χρονόμετρο!
«Τα δευτερόλεπτα μου είναι υγρά», είπε ο Γαλιλαίος, «αλλά μπορούν να ζυγιστούν».
Παρατηρώντας τη στοιχειώδη αυστηρότητα, αξίζει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι αυτό το ρολόι δεν είναι τόσο απλό όσο μπορεί να φαίνεται. Είναι απίθανο το Galileo να έλαβε υπόψη τη μείωση της πίεσης (και επομένως την ταχύτητα) του πίδακα νερού με μείωση της στάθμης του νερού στον κάδο. Αυτό μπορεί να παραμεληθεί μόνο εάν ο κάδος είναι πολύ φαρδύς και το ρεύμα είναι στενό. Ίσως έτσι ήταν.
Το πρόβλημα της μέτρησης του χρόνου αντιμετωπίζεται από καιρό από τον άνθρωπο. Η σημερινή ανθρώπινη κοινωνία δεν θα μπορούσε να υπάρξει καθόλου χωρίς ρολόγια - όργανα ακριβούς μέτρησης του χρόνου. Τα τρένα δεν θα μπορούσαν να κινηθούν στην ώρα τους, οι εργαζόμενοι στο εργοστάσιο δεν θα ήξεραν πότε να έρθουν στη δουλειά και πότε να πάνε σπίτι τους. Το ίδιο πρόβλημα αντιμετώπισαν μαθητές και μαθητές.
Κατ 'αρχήν, ένα άτομο έμαθε να μετράει αρκετά μεγάλες χρονικές περιόδους πριν από πολύ καιρό, ακόμη και στην αυγή της ανάπτυξής του. Τέτοιες έννοιες όπως "ημέρα", "μήνας", "έτος" εμφανίστηκαν ακόμη και τότε. Οι πρώτοι που χώρισαν την ημέρα σε χρονικές περιόδους ήταν πιθανώς οι αρχαίοι Αιγύπτιοι. Υπήρχαν 40 καρύδια την ημέρα τους. Και αν μια χρονική περίοδος σε μια μέρα μπορεί να μετρηθεί με φυσικό τρόπο (αυτός είναι ο χρόνος μεταξύ δύο κορυφώσεων του Ήλιου), τότε χρειάζονται ειδικά όργανα για τη μέτρηση μικρότερων χρονικών περιόδων. Αυτά είναι ρολόγια ήλιου, ώρας και νερού. (Αν και δεν μπορείτε να προσδιορίσετε τη στιγμή της κορύφωσης του Ήλιου χωρίς ειδικές συσκευές. Η απλούστερη ειδική συσκευή είναι ένα ραβδί κολλημένο στο έδαφος. Αλλά περισσότερο σε αυτό κάποια άλλη στιγμή.) Όλα αυτά τα είδη ρολογιών εφευρέθηκαν στην αρχαιότητα φορές και έχουν πολλά μειονεκτήματα: είτε είναι πολύ ανακριβή είτε μετρούν πολύ μικρές χρονικές περιόδους (για παράδειγμα, μια κλεψύδρα, πιο κατάλληλη ως χρονόμετρο).
Ιδιαίτερη σημασία είχε η ακριβής μέτρηση του χρόνου στον Μεσαίωνα, στην εποχή της ραγδαίας ανάπτυξης της ναυσιπλοΐας. Η γνώση της ακριβούς ώρας ήταν απαραίτητη για τον πλοηγό του πλοίου για να καθορίσει το γεωγραφικό μήκος. Ως εκ τούτου, χρειάστηκε ένα ιδιαίτερα ακριβές όργανο για τη μέτρηση του χρόνου. Για τη λειτουργία μιας τέτοιας συσκευής χρειάζεται ένα συγκεκριμένο πρότυπο, ένα ταλαντευόμενο σύστημα που ταλαντώνεται σε αυστηρά ίσα χρονικά διαστήματα. Το εκκρεμές έγινε ένα τέτοιο ταλαντευόμενο σύστημα.
Ένα εκκρεμές είναι ένα σύστημα που αιωρείται σε ένα βαρυτικό πεδίο και εκτελεί μηχανικές ταλαντώσεις. Το απλούστερο εκκρεμές είναι μια μπάλα που κρέμεται από μια χορδή. Το εκκρεμές έχει μια σειρά από ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Το πιο σημαντικό από αυτά είναι ότι η περίοδος ταλάντωσης του εκκρεμούς εξαρτάται μόνο από το μήκος της ανάρτησης και δεν εξαρτάται από τη μάζα του φορτίου και το πλάτος των ταλαντώσεων (δηλαδή το μέγεθος της ταλάντωσης). Αυτή η ιδιότητα του εκκρεμούς διερευνήθηκε για πρώτη φορά από τον Galileo.
Galileo Galilei
Ο Γαλιλαίος παρακινήθηκε σε βαθιά έρευνα για τα εκκρεμή παρατηρώντας τις δονήσεις ενός πολυελαίου στον καθεδρικό ναό της Πίζας. Αυτός ο πολυέλαιος κρεμόταν από την οροφή σε μια ανάρτηση 49 μέτρων.
Καθεδρικός ναός της Πίζας. Στο κέντρο της εικόνας είναι ο ίδιος πολυέλαιος.
Δεδομένου ότι τότε δεν υπήρχαν ακριβή όργανα για τη μέτρηση του χρόνου, στα πειράματά του ο Γαλιλαίος χρησιμοποίησε ως πρότυπο τον χτύπο της καρδιάς του. Δημοσίευσε μια μελέτη για τις ταλαντώσεις ενός εκκρεμούς και δήλωσε ότι η περίοδος των ταλαντώσεων δεν εξαρτάται από το πλάτος τους. Διαπιστώθηκε επίσης ότι οι περίοδοι ταλάντωσης των εκκρεμών σχετίζονται με τις τετραγωνικές ρίζες του μήκους του. Αυτές οι μελέτες ενδιέφεραν τον Christian Huygens, ο οποίος ήταν ο πρώτος που πρότεινε τη χρήση ενός εκκρεμούς ως πρότυπο για τη ρύθμιση της κίνησης των ρολογιών και ο πρώτος που δημιούργησε ένα πραγματικά λειτουργικό δείγμα τέτοιων ρολογιών. Προσπάθησε να δημιουργήσει ένα ρολόι με εκκρεμές και ο ίδιος ο Γαλιλαίος, αλλά πέθανε πριν προλάβει να ολοκληρώσει αυτό το έργο.
Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αλλά για αρκετούς αιώνες μπροστά, το εκκρεμές έγινε το πρότυπο για τη ρύθμιση του ρολογιού. Τα ρολόγια εκκρεμούς που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου είχαν αρκετά υψηλή ακρίβεια για να χρησιμοποιηθούν στη ναυσιπλοΐα και στην επιστημονική έρευνα και μόνο στην καθημερινή ζωή. Μόλις στα μέσα του εικοστού αιώνα, έδωσε τη θέση του σε έναν ταλαντωτή χαλαζία, που χρησιμοποιείται σχεδόν παντού, αφού η συχνότητα των ταλαντώσεων του είναι πιο σταθερή. Για ακόμη πιο ακριβή μέτρηση του χρόνου, χρησιμοποιούνται ατομικά ρολόγια με ακόμη πιο σταθερή συχνότητα ταλάντωσης του ρυθμιστή. Χρησιμοποιούν ένα πρότυπο χρόνου καισίου για αυτό.
Κρίστιαν Χάιγκενς
Μαθηματικά, ο νόμος της ταλάντωσης του εκκρεμούς έχει ως εξής:
Σε αυτόν τον τύπο: μεγάλο- μήκος ανάρτησης, σολ- επιτάχυνση της βαρύτητας, Τ- η περίοδος ταλάντωσης του εκκρεμούς. Όπως βλέπουμε, η περίοδος Τδεν εξαρτάται από τη μάζα του φορτίου, ούτε από το πλάτος των ταλαντώσεων. Εξαρτάται μόνο από το μήκος της ανάρτησης, καθώς και από την τιμή της επιτάχυνσης ελεύθερης πτώσης. Δηλαδή, για παράδειγμα, στη Σελήνη, η περίοδος ταλάντωσης του εκκρεμούς θα είναι διαφορετική.
Και τώρα, όπως υποσχέθηκα, δίνω την απάντηση στο δημοσιευμένο πρόβλημα. Για να μετρήσετε τον όγκο ενός δωματίου, πρέπει να μετρήσετε το μήκος, το πλάτος και το ύψος του και στη συνέχεια να τα πολλαπλασιάσετε. Αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται κάποιο πρότυπο μήκους. Οι οποίες? Δεν έχουμε γραμμή! Παίρνουμε το παπούτσι από τη δαντέλα και το κουνάμε σαν εκκρεμές. Με ένα χρονόμετρο, μετράμε τον χρόνο πολλών ταλαντώσεων, για παράδειγμα, δέκα, και διαιρώντας τον με τον αριθμό των ταλαντώσεων, παίρνουμε το χρόνο για μια ταλάντωση, δηλαδή την περίοδο Τ. Και, αν είναι γνωστή η περίοδος ταλάντωσης του εκκρεμούς, τότε από τον τύπο που είναι ήδη γνωστός σε εσάς δεν κοστίζει τίποτα για να υπολογίσετε το μήκος της ανάρτησης, δηλαδή τη δαντέλα. Γνωρίζοντας το μήκος της δαντέλας, χρησιμοποιώντας την ως χάρακα, μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε το μήκος, το πλάτος και το ύψος του δωματίου. Εδώ είναι μια λύση σε ένα φαινομενικά δύσκολο πρόβλημα!
Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας!!!