アメリカ初の時計が失敗した理由の物理学

Dec 05, 2023

まるまる 3 世紀近くにわたり、人類が時間を追跡する最も正確な方法は振り子時計を使用することでした。 17 世紀の初期開発から 1920 年代のクォーツ時計の発明まで、振り子時計は家庭生活の必需品となり、人々が普遍的に合意された標準に従ってスケジュールを管理できるようになりました。 1656 年にクリスチャン ホイヘンスによってオランダで最初に発明されましたが、その初期の設計はすぐに改良されて精度が大幅に向上し、すぐに振り子時計が 1 日あたりわずか 2 秒以内の誤差で正確に時間を保つことが日常的になりました。 。

しかし、最初の振り子時計がアメリカ大陸に持ち込まれたとき、奇妙なことが起こりました。 この時計はヨーロッパで正確な時間を保つのに完璧に機能していましたが、当初は日没/日の出、月の入り/月の出などの既知の天文現象と同期していました。 しかし、アメリカ大陸に滞在してわずか 1 ～ 2 週間で、時計が正しく時間を刻んでいないことが明らかになりました。 アメリカで最初の時計は完全な失敗作でしたが、それは地球の物理学と地球の重力についての私たちの理解を革命的に変える物語の始まりにすぎません。

何千年もの間、科学者には古代の日時計よりも優れた時間を計る方法はありませんでした。 しかし、1600 年代初頭から、揺れる振り子に関する科学的研究、特に振り子の周期は長さだけで決まるというガリレオの観察により、振り子は理論的には時計として使用できるという考えが生まれました。 それは振り子自体の厚さ、振り子先端の重りの質量、振り子を上げた角度には依存しません。 その周期において重要なのは振り子の長さだけでした。 ガリレオは 1637 年にこのアイデアについて議論し、1642 年に亡くなりましたが、このアイデアは生き続けるだけでなく、ちょうど自分の地位を確立したばかりの科学者の世代に影響を与えることになりました。

1656 年、オランダで働いていたクリスティアン ホイヘンスは、原始的であると同時に多くの点で革命的な、最初の実用的な振り子時計を発明しました。 次の数十年にわたって、振り子時計をさらに改善するための改良が行われました。次のようなものがあります。

これらの革新はすべて 1700 年より前に行われており、短期間に驚くべき進歩を遂げました。 これらの振り子時計で発生した残りの最大の「誤差の原因」は温度変化によるものでした。振り子を構成する材料が温度に応じて熱膨張または収縮するため、振り子の長さは増減します。 温度が変化しても揺れの周期が変わらない温度補償振り子を開発することにより、振り子時計の精度は 1 週間あたりわずか数秒以内にまで達します。 最初のアメリカ製の時計は、その進歩から何十年も経たないと誕生しなかったため、アメリカ大陸で時間を計ろうとする最初の試みはヨーロッパから輸入された装置に頼ることになりました。

ここで、計時に関する大きな謎が生じました。最初の振り子時計がヨーロッパからアメリカに持ち込まれたときです。 オランダで製造および校正されたこの時計は、非常に正確でした。 日没/日の出、および月の入り/月の出の時刻は数週間にわたって正確であり、約 1 か月が経過するまで、さらなる校正を必要とせずに、星が予測時刻から 1 分以内に昇ったり沈んだりしました。

しかし、アメリカに到着すると、時計が巻き上げられ、時を刻み始め、すぐにすべてが狂い始めました。

この新しい時計によると、人々は 1 週間以内に、太陽と月が予測された時刻に昇ったり沈んだりしていないことに気づきました。 しかもそのミスマッチは日を追うごとに悪化していった。 当時、時計の精度は 1 日あたり約 2 秒以内、1 週間あたり約 15 秒以内であるとされていましたが、1 日あたり 30 秒以上遅れていることが観察されました。 最初の週の終わりまでに、それは約 4 ～ 5 分ずれていましたが、これはひどく許容できないエラーでした。