Секундный маятник
Секундный маятник — это маятник , период которого равен ровно двум секундам ; одна секунда для качания в одну сторону и одна секунда для обратного качания, частота 0,5 Гц. [1]
Маятник [ править ]
Маятник – это груз, подвешенный к шарниру так, что он может свободно качаться. Когда маятник смещается в сторону от положения покоя, на него действует восстанавливающая сила гравитации, которая ускоряет его обратно к положению равновесия. При отпускании восстанавливающая сила в сочетании с массой маятника заставляет его колебаться около положения равновесия, раскачиваясь вперед и назад. Время одного полного цикла, левого и правого колебаний, называется периодом. Период зависит от длины маятника, а также в незначительной степени от его развесовки (момента инерции относительно собственного центра масс) и амплитуды (ширины) качания маятника.
Для точечной массы на невесомой струне длины L, качающейся с бесконечно малой амплитудой без сопротивления, длина струны секундного маятника равна L = g / π. 2 где g — ускорение свободного падения, выраженное в единицах длины в секунду в квадрате, а L — длина струны в тех же единицах. Используя рекомендованное SI ускорение свободного падения g 0 = 9,80665 м/с. 2 , длина струны составит примерно 993,6 миллиметра, т.е. на сантиметр меньше одного метра везде на Земле. Это связано с тем, что значение g , выраженное в м/с 2 , очень близко к π 2 .
Определение второго [ править ]
Часы с маятником были изобретены в 1656 году голландским ученым и изобретателем Христианом Гюйгенсом и запатентованы в следующем году. Гюйгенс поручил изготовление своих часов часовщику Саломону Костеру , который и построил часы. Гюйгенс был вдохновлен исследованиями маятников, проведенными Галилео Галилеем, начиная примерно с 1602 года. Галилей обнаружил ключевое свойство, которое делает маятники полезными хронометристами: изохронность , что означает, что период качания маятника примерно одинаков для колебаний разной величины. [2] [3] В 1637 году Галилею пришла в голову идея создания маятниковых часов, которые частично построил его сын в 1649 году, но ни один из них не дожил до их завершения. [4] Внедрение маятника, первого гармонического генератора, используемого в хронометрии, значительно увеличило точность часов: примерно с 15 минут в день до 15 секунд в день. [5] что привело к их быстрому распространению, поскольку существующие часы « границы и листы » были модернизированы маятниками.
Эти ранние часы из-за их спускового механизма имели широкий ход маятника - 80–100 °. В своем анализе маятников «Horologium Oscillatorium» 1673 года Гюйгенс показал, что широкие колебания делают маятник неточным, в результате чего его период и, следовательно, скорость хода часов изменяются с неизбежными изменениями движущей силы, обеспечиваемой движением . Осознание часовщиками того, что только маятники с небольшим колебанием в несколько градусов являются изохронными , привело к изобретению около 1670 года якорного спуска , который уменьшил поворот маятника до 4–6 °. [6] Якорь стал стандартным спусковым механизмом, используемым в маятниковых часах. Помимо повышенной точности, узкий ход маятника якоря позволил разместить в корпусе часов более длинные и медленные маятники, которые требовали меньше энергии и вызывали меньший износ механизма. Секундный маятник (также называемый королевским маятником) длиной 0,994 м (39,1 дюйма), в котором каждое колебание занимает одну секунду, стал широко использоваться в качественных часах. Длинные узкие часы, построенные вокруг этих маятников и впервые изготовленные Уильямом Клементом около 1680 года, стали известны как напольные часы . Повышенная точность, возникшая в результате этих разработок, привела к тому, что минутная стрелка, ранее редкая, стала добавляться к циферблатам часов примерно с 1690 года. [7] : 190
инноваций XVIII и XIX веков, Волна часовых последовавшая за изобретением маятника, принесла множество усовершенствований в маятниковые часы. изобретенный Неповоротный спусковой механизм, в 1675 году Ричардом Таунли и популяризированный Джорджем Грэмом около 1715 года в его прецизионных часах-регуляторах, постепенно заменил якорный спусковой механизм. [7] : 181, 441 и сейчас используется в большинстве современных маятниковых часов. Наблюдение за замедлением хода маятниковых часов летом привело к осознанию того, что тепловое расширение и сжатие стержня маятника при изменении температуры было источником ошибок. Проблема была решена благодаря изобретению маятников с температурной компенсацией; ртутный маятник Джорджа Грэма в 1721 году и решеткой маятник с Джона Харрисона в 1726 году. [7] : 193–195 Благодаря этим усовершенствованиям к середине XVIII века точные маятниковые часы достигли точности в несколько секунд в неделю.
В то время секунда определялась как доля времени вращения Земли или средних солнечных суток и определялась с помощью часов, точность которых проверялась астрономическими наблюдениями. [8] [9] Солнечное время — это расчет течения времени, основанный на положении Солнца на небе . Основной единицей солнечного времени являются сутки . Два типа солнечного времени — это видимое солнечное время ( время солнечных часов ) и среднее солнечное время (время часов).
Среднее солнечное время — это часовой угол среднего Солнца плюс 12 часов. Это 12-часовое смещение обусловлено решением для гражданских целей начинать каждый день в полночь, тогда как часовой угол или среднее солнце измеряется от зенита (полдня). [10] Продолжительность светового дня варьируется в течение года, но продолжительность среднего солнечного дня почти постоянна, в отличие от видимого солнечного дня. [11] Видимый солнечный день может быть на 20 секунд короче или на 30 секунд длиннее среднего солнечного дня. [12] Длинные или короткие дни происходят подряд, поэтому разница увеличивается до тех пор, пока среднее время не опережает видимое время примерно на 14 минут около 6 февраля и отстает от видимого времени примерно на 16 минут около 3 ноября. Уравнение времени представляет собой эту разницу, которая равна цикличен и не накапливается из года в год.
Среднее время следует за средним солнцем. Жан Меус описывает среднее солнце следующим образом:
«Рассмотрим первое фиктивное Солнце, движущееся по эклиптике с постоянной скоростью и совпадающее с истинным Солнцем в перигее и апогее (когда Земля находится в перигелии и афелии соответственно). Затем рассмотрим второе фиктивное Солнце, путешествующее вдоль небесного экватора в точке с постоянной скоростью и совпадает с первым фиктивным Солнцем в дни равноденствия. Это второе фиктивное Солнце есть среднее Солнце ...» [13]
В 1936 году французские и немецкие астрономы обнаружили, что скорость вращения Земли неравномерна. С 1967 года атомные часы определяют второе. [14] [Примечание 1]
Использование в метрологии [ править ]
Длина секундного маятника была определена (в туазах ) Марином Мерсенном в 1644 году. В 1660 году Королевское общество предложило сделать ее стандартной единицей длины. В 1671 году Жан Пикард измерил эту длину в Парижской обсерватории . Он нашел стоимость 440,5 линей Туаза Шатле , который недавно был обновлен. Он предложил универсальный туаз (по-французски: Toise Universelle ), который был вдвое длиннее секундного маятника. [8] [15] Однако вскоре было обнаружено, что длина секундного маятника варьируется от места к месту: французский астроном Жан Рише измерил разницу в 0,3% длины между Кайеной (на территории нынешней Французской Гвианы ) и Парижем . [16]
Связь с фигурой Земли [ править ]
Жан Рише и Джованни Доменико Кассини измерили параллакс Марса между Парижем и Кайеной во Французской Гвиане, когда Марс был максимально близко к Земле в 1672 году. Они пришли к значению солнечного параллакса в 9,5 угловых секунд, что эквивалентно расстоянию от Земли до Солнца. около 22000 радиусов Земли. Они также были первыми астрономами, получившими доступ к точному и надежному значению радиуса Земли, который был измерен их коллегой Жаном Пикаром в 1669 году как 3269 тысяч туазов . Геодезические наблюдения Пикара ограничились определением величины Земли, рассматриваемой как сфера, но открытие Жана Рише обратило внимание математиков на отклонение ее от сферической формы. Христиан Гюйгенс обнаружил центробежную силу , которая объяснила изменения гравитационного ускорения в зависимости от широты. Он также обнаружил, что секундная длина маятника является средством измерения гравитационного ускорения. В XVIII веке, помимо своего значения для картографии В геодезия приобрела значение как средство эмпирической демонстрации теории гравитации , которую Эмили дю Шатле продвигала во Франции в сочетании с Лейбница математическими работами , а также потому, что радиус Земли был единицей измерения всех небесных расстояний. показали, что Земля представляет собой сплюснутый сфероид Действительно, геодезические исследования в Эквадоре и Лапландии , и эти новые данные поставили под сомнение значение радиуса Земли , как его рассчитал Пикард. [17] [18] [19] [20] [8] [21] [22] [23] [24]
Английский физик сэр Исаак Ньютон , который использовал измерения Земли Пикара для установления своего закона всемирного тяготения , [25] объяснил это изменение длины секундного маятника в своих Principia Mathematica (1687), в которых он изложил свою теорию и расчеты формы Земли. Ньютон правильно предположил, что Земля не совсем сфера, а имеет сплюснутую эллипсоидную форму, слегка сплюснутую у полюсов из-за центробежной силы ее вращения. Поскольку поверхность Земли на полюсах находится ближе к ее центру, чем на экваторе, гравитация там сильнее. Используя геометрические расчеты, он привел конкретные аргументы в пользу гипотетической эллипсоидной формы Земли. [26]
Целью Principia было не дать точные ответы на природные явления, а теоретизировать потенциальные решения этих нерешенных в науке факторов. Ньютон призывал ученых глубже изучить необъяснимые переменные. Двумя выдающимися исследователями, которых он вдохновил, были Алексис Клеро и Пьер Луи Мопертюи . Они оба стремились доказать справедливость теории Ньютона о форме Земли. Для этого они отправились в экспедицию в Лапландию , пытаясь точно измерить дугу меридиана . По таким измерениям они могли вычислить эксцентриситет Земли, степень ее отклонения от идеальной сферы. Клеро подтвердил, что теория Ньютона о том, что Земля имеет эллипсоидную форму, верна, но его расчеты оказались ошибочными; он написал письмо в Лондонское королевское общество со своими выводами. [27] статью общество опубликовало в «Philosophical Transactions» В следующем, 1737 году , в которой раскрылось его открытие. Клеро показал, насколько неверны уравнения Ньютона, и не доказал эллипсоидную форму Земли. [28] Однако он исправил проблемы с теорией, что, по сути, доказало правильность теории Ньютона. Клеро считал, что у Ньютона были причины для выбора той формы, которую он сделал, но он не поддерживал ее в Principia . Статья Клеро не содержала действительного уравнения, подтверждающего его аргументы. Это вызвало много споров в научном сообществе.
только после того, как Клеро написал «Теорию фигуры де ла земная» Правильный ответ был дан в 1743 году. В нем он обнародовал то, что сегодня более формально известно как теорема Клеро . Применяя теорему Клеро, Лаплас на основании 15 значений гравитации обнаружил, что уплощение Земли происходит 1/330 . Современная оценка 1 / 298.25642 . [29]
В 1790 году, за год до того, как метр был окончательно основан на квадранте Земли, Талейран предложил, чтобы метр был длиной секундного маятника на широте 45 °. [1] Этот вариант, при котором одна треть этой длины определяет ступню , также рассматривался Томасом Джефферсоном и другими для пересмотра определения ярда в Соединенных Штатах вскоре после обретения независимости от Британской Короны. [30]
Вместо метода секундного маятника комиссия Французской академии наук , в состав которой входили Лагранж , Лаплас , Монж и Кондорсе , решила, что новая мера должна быть равна одной десятимиллионной части расстояния от Северного полюса до экватора. ( квадрант окружности Земли), измеренный вдоль меридиана , проходящего через Париж. Помимо очевидных соображений безопасного доступа для французских геодезистов, парижский меридиан был также разумным выбором по научным причинам: часть квадранта от Дюнкерка до Барселоны (около 1000 км, или одна десятая часть от общего количества) можно было обследовать с помощью Земли начальная и конечная точки находились на уровне моря, и эта часть находилась примерно в середине квадранта, где ожидалось, что последствия сжатия будут наибольшими. Испано -французская геодезическая миссия в сочетании с более ранними измерениями дуги Парижского меридиана и геодезической миссией в Лапландии подтвердили, что Земля представляет собой сплюснутый сфероид. [21] Кроме того, с помощью маятника проводились наблюдения для определения местного ускорения, вызванного местной силой тяжести и центробежным ускорением; и эти наблюдения совпали с геодезическими результатами, доказавшими, что Земля сплюснута на полюсах. Ускорение тела у поверхности Земли, измеряемое секундным маятником, обусловлено совместным действием местной силы тяжести и центробежного ускорения . Гравитация центробежная уменьшается по мере удаления от центра Земли, тогда как сила увеличивается по мере удаления от оси вращения Земли. Из этого следует, что результирующее ускорение по направлению к земле на полюсах на 0,5% больше, чем на экваторе, и что полярный диаметр Земли меньше ее экваториального диаметра. [21] [31] [32] [33] [Примечание 2]
Академия наук планировала сделать вывод о уплощении Земли по разнице длин меридиональных участков, соответствующих градусу широты одному . Пьер Мешен и Жан-Батист Деламбр объединили свои измерения с результатами испанско-французской геодезической миссии Земли 1/334 и нашли значение уплощения , [34] а затем на основе измерений дуги парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной они экстраполировали расстояние от Северного полюса до экватора , которое составило 5 130 740 туазов . Поскольку метр должен был быть равен одной десятимиллионной части этого расстояния, он был определен как 0,513074 туаза или 3 фута и 11,296 линий туаза Перу. [35] Перуанский Туаз был построен в 1735 году в качестве эталона испанско -французской геодезической миссии , проводившейся в Эквадоре с 1735 по 1744 год. [36]
Жан-Батист Био и Франсуа Араго опубликовали в 1821 году свои наблюдения, дополнившие наблюдения Деламбра и Мешена. Это был отчет об изменении длины градусов широты вдоль Парижского меридиана, а также отчет об изменении длины секундного маятника вдоль того же меридиана между Шетландскими и Балеарскими островами. Длина секундного маятника — это среднее значение g , местного ускорения, вызванного местной силой тяжести и центробежного ускорения, которое меняется в зависимости от положения человека на Земле (см. Земное притяжение ). [37] [38] [39]
Задача по съемке дуги парижского меридиана заняла более шести лет (1792–1798). Технические трудности были не единственными проблемами, с которыми геодезистам пришлось столкнуться в конвульсивный период после Французской революции : Мешен и Деламбр, а затем и Араго , несколько раз были заключены в тюрьму во время своих исследований, а Мешен умер в 1804 году от желтой лихорадки . которым он заразился, пытаясь улучшить свои первоначальные результаты на севере Испании. Тем временем комиссия Французской академии наук на основе более старых исследований рассчитала предварительное значение в 443,44 линии . Это значение было установлено законодательством от 7 апреля 1795 года. [40] серии платиновых Пока Мешен и Деламбр завершали исследование, комиссия заказала изготовление слитков на основе предварительного метра. Когда стал известен окончательный результат, полоса, длина которой была ближе всего к меридиональному определению метра, была выбрана и помещена в Национальный архив 22 июня 1799 года (4 мессидора An VII по республиканскому календарю ) в качестве постоянной записи результата. [41] Эта стандартная полоска метра стала известна как метр Комитета (по-французски: Mètre des Archives ).
См. также [ править ]
Примечания [ править ]
- ^ Для получения дополнительной информации см. атомное время .
- ^ Гравитация уменьшается пропорционально квадрату расстояния от центра Земли. Центробежная сила — это псевдосила, соответствующая инерции и связанная со скоростью вращения объекта, находящегося на поверхности Земли, которая пропорциональна расстоянию от оси вращения Земли: v = 2 π R / T .
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Секундный маятник
- ^ «Часы Гюйгенса» . Истории . Музей науки, Лондон, Великобритания . Проверено 14 ноября 2007 г.
- ^ «Маятниковые часы» . Проект Галилео . Райс Юнив . Проверено 3 декабря 2007 г.
- ^ Современную реконструкцию можно увидеть на сайте «Маятниковые часы конструкции Галилея, № 1883-29» . Измерение времени . Музей науки, Лондон, Великобритания . Проверено 14 ноября 2007 г.
- ^ Беннет, Мэтью; и др. (2002). «Часы Гюйгенса» (PDF) . Технологический институт Джорджии. Архивировано из оригинала (PDF) 10 апреля 2008 года . Проверено 4 декабря 2007 г. , с. 3, также опубликовано в Proceedings of the Royal Society of London , A 458 , 563–579.
- ^ Хедрик, Майкл (2002). «Происхождение и эволюция спускового механизма якорных часов» . Журнал «Системы управления» . 22 (2). Архивировано из оригинала 25 октября 2009 года . Проверено 6 июня 2007 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Милхэм, Уиллис И. (1945), Время и хронометристы , Макмиллан, ISBN 0-7808-0008-7
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Пикард, Жан (1671). Измерение земли (на французском языке). стр. 3–4 — через Галлику .
- ^ Ален Бернар (15 апреля 2018 г.), Солнечная система 2: Революция Земли , заархивировано из оригинала 14 декабря 2021 г. , получено 12 октября 2018 г.
- ^ «Каждое солнечное время и среднее солнечное время» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 28 марта 2018 г. Проверено 28 марта 2018 г.
- ^ Обсуждение небольших изменений, влияющих на средний солнечный день, см. в статье ΔT .
- ^ «Продолжительность истинного солнечного дня». Архивировано 26 августа 2009 г. в Wayback Machine . Пьерпаоло Риччи. pierpaoloricci.it. (Италия)
- ^ Меус, Дж. (1998). Астрономические алгоритмы. 2-е изд. Ричмонд, Вирджиния: Уиллманн-Белл. п. 183.
- ^ «Оживляя нашу историю | 350 лет Парижской обсерватории» . 350ans.obspm.fr (на французском языке) . Проверено 28 сентября 2018 г.
- ^ Бигурдан, Гийом (1901). Метрическая система мер и весов; его возникновение и постепенное распространение, а также история операций, служивших для определения метра и килограмма . Университет Оттавы. Париж: Готье-Виллар. стр. 6–8.
- ^ Пойнтинг, Джон Генри; Томсон, Джозеф Джон (1907). Учебник физики . К. Гриффин. стр. 20 .
- ^ Бонд, Питер; Дюпон-Блох, Николя (2014). Исследование Солнечной системы (на французском языке). Лувен-ле-Нев: Де Бек. стр. 5–6. ISBN 9782804184964 . OCLC 894499177 .
- ^ «Первое определение расстояния от Земли до Солнца | 350 лет Парижской обсерватории» . 350ans.obspm.fr (на французском языке) . Проверено 2 октября 2018 г.
- ^ "1967ЛАстр..81..234Г Страница 234" . Adsbit.harvard.edu . Проверено 2 октября 2018 г.
- ^ «INRP - CLEA - Архивы: Выпуск № 137, Printemps 2012 Les distances» . clea-astro.eu (на французском языке) . Проверено 2 октября 2018 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Кларк, Александр Росс; Гельмерт, Фридрих Роберт (1911). Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 08 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. . В
- ^ Перье, генерал (1935). «Краткая история геодезии» . Фалес . 2 :117–129. ISSN 0398-7817 . JSTOR 43861533 .
- ^ Бадинтер, Элизабет (2018). Интеллектуальные страсти . Книги. Париж: Роберт Лаффон. ISBN 978-2-221-20345-3 .
- ^ Тузери, Мирей (3 июля 2008 г.). «Эмили Дю Шатле, научный контрабандист XVIII века» . Обзор истории CNRS (на французском языке) (21). doi : 10.4000/histoire-cnrs.7752 . ISSN 1298-9800 .
- ^ Био, Жан-Батист ; Араго, Франсуа (1821). Сбор геодезических, астрономических и физических наблюдений, выполненный по заказу Бюро долгот Франции в Испании, Франции, Англии и Шотландии, для определения изменения силы тяжести и земных градусов на протяжении Парижского меридиана, следующего за третьим том «Основы метрической системы» (на французском языке). п. 523 . Проверено 10 октября 2018 г. - через Gallica .
- ^ Ньютон, Исаак. «Начала», книга III, предложение XIX, задача III .
- ^ Гринбург, Джон (1995). Проблема формы Земли от Ньютона до Клеро . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета . стр. 132 . ISBN 978-0-521-38541-1 .
- ^ Клеро, Алексис; Колсон, Джон (1737). «Исследование о фигуре таких планет, которые вращаются вокруг оси, предполагая, что плотность постоянно меняется от центра к поверхности» . Философские труды . 40 (449): 277–306. дои : 10.1098/rstl.1737.0045 . JSTOR 103921 .
- ^ Таблица 1.1 Числовые стандарты IERS (2003 г.) )
- ^ Кокрейн, Рексмонд (1966). «Приложение Б: Метрическая система в США» . Меры прогресса: история Национального бюро стандартов . Министерство торговли США . п. 532. Архивировано из оригинала 27 апреля 2011 года . Проверено 5 марта 2011 г.
- ^ «Отчет г-на Фэя о мемуарах г-на Пирса о постоянстве силы тяжести в Париже и исправлениях, требуемых старыми определениями Борда и Био» . Еженедельные отчеты сессий Академии наук (на французском языке). 90 : 1463–1466. 1880 . Проверено 10 октября 2018 г. - через Gallica .
- ^ Ален Бернар (29 декабря 2017 г.), Солнечная система 1: вращение Земли , заархивировано из оригинала 14 декабря 2021 г. , получено 12 октября 2018 г.
- ^ Кэссиди, Дэвид С .; Холтон, Джеральд Джеймс ; Резерфорд, Флойд Джеймс ; Фэй, Винсент; Бреар, Себастьян (2014). Понимание физики (на французском языке). Лозанна: франкоязычные политехнические и университетские издательства. стр. 173, 149. ISBN. 9782889150830 . OCLC 895784336 .
- ^ Леваллуа, Жан-Жак (май – июнь 1986 г.). « Королевская академия наук и форма Земли». La Vie des Sciences (на французском языке). 3 : 290. Бибкод : 1986CRASG...3..261L . Проверено 4 сентября 2018 г. - через Gallica.
- ^ «История метра» . Генеральный директорат предприятий (DGE) (на французском языке) . Проверено 28 сентября 2018 г.
- ^ Кларк, Александр Росс (1 января 1867 г.). «X. Резюме результатов сличений эталонов длины Англии, Франции, Бельгии, Пруссии, России, Индии, Австралии, выполненных в Управлении артиллерийского управления Саутгемптона». Философские труды Лондонского королевского общества . 157 : 161–180. дои : 10.1098/rstl.1867.0010 . ISSN 0261-0523 . S2CID 109333769 .
- ^ Ларус, Пьер (1874). Ларус, Пьер, изд. (1874), «Метрика», Большой универсальный словарь 19 века, 11 . Париж. стр. 163–164.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Пол., Мурдин (2009). Полный меридиан славы: опасные приключения в соревновании по измерению Земли . Нью-Йорк: Книги Коперника / Спрингер. ISBN 9780387755342 . OCLC 314175913 .
- ^ Био, Жан-Батист ; Араго, Франсуа (1821). Сбор геодезических, астрономических и физических наблюдений, выполненный по заказу Бюро долгот Франции в Испании, Франции, Англии и Шотландии, для определения изменения силы тяжести и земных градусов на протяжении Парижского меридиана, следующего за третьим том «Основы метрической системы» (на французском языке). п. 529 . Проверено 21 сентября 2018 г. - через Gallica .
- ^ Совет Национальной промышленной конференции (1921 г.). Метрика против английской системы мер и весов... The Century Co., стр. 10–11 . Проверено 5 апреля 2011 г.
- ^ Ларус, Пьер, изд. (1874), «Метрика», Большой универсальный словарь XIX века , вып. 11, Париж: Пьер Ларусс, стр. 163–164