finderx
Szkic mechanizmu zegara wahadłowego Huygensa
Ten zegar stary...
Uczeni z Politechniki Georgii w Atlancie rozwikłali ponad trzechsetletnią tajemnicę zegara z podwójnym wahadłem, skonstruowanego przez Christiaana Huygensa. Uczynili to, rekonstruując urządzenie sprzed wieków i badając jego drgania za pomocą laserowych pomiarów.
Christiaan Huygens (1629-1695), holenderski astronom, fizyk i matematyk, zapisał się w dziejach nauki wieloma ważnymi odkryciami. Ale był również obdarzony talentami praktycznymi: w 1656 r. opatentował mechanizm pierwszego odpowiednio dokładnego zegara wahadłowego, rozpoczynając w ten sposób nową epokę w chronometrii. Do historii nauki i techniki przeszło monumentalne dzieło Huygensa, opisujące zegary i mechanizmy wahadłowe: Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum, opublikowane w 1673 r. Jednakże między patentem a wydaniem Horologium holenderskiemu uczonemu przytrafiła się zaskakująca przygoda z jednym ze swych czasomierzy.
W owych czasach jednym z ważniejszych problemów do rozwiązania przez naukę i technikę był precyzyjny pomiar długości geograficznej - przede wszystkim na morzu, jako że podróże statkiem stanowiły podstawowy środek komunikacji między kontynentami. W związku z tym już od XVI wieku głowy państw oferowały znaczne nagrody za wynalezienie sposobu dokładnego określania długości geograficznej. W 1530 r. Gemma Friscus zaproponował metodę, polegającą na przewożeniu zegara i porównywaniu jego wskazań z mierzonym czasem miejscowym - różnica odpowiadała różnicy długości portu wyjściowego i miejsca, w którym przeprowadzano pomiar. Sęk w tym, że ówczesne zegary nie były zbyt dokładne, a ich mechanizmy słabo znosiły kołysanie na morskich falach.
Huygens, wspierany finansami francuskiej Królewskiej Akademii Nauk, podjął próby zbudowania precyzyjnych i odpornych na trudne warunki morskie zegarów wahadłowych. Skonstruował kilka egzemplarzy, które testowano z lepszym lub gorszym powodzeniem w latach 1662-1687. Na przykład w 1668 r. jeden z zegarów Huygensa, który przetrwał zarówno sztormy, jak i bitwę morską, pokazał różnicę długości między Tulonem i Kretą wynoszącą 20 stopni i 30 minut. Prawdziwa wartość to 19 stopni i 13 minut, co przekłada się na błąd położenia wielkości 100 kilometrów.
Jeden ze zbudowanych przez Huygensa morskich chronometrów był podwójny i miał dwa wahadła. Chodziło o to, żeby w razie zatrzymania się jednego mechanizmu lub konieczności poddania go konserwacji, czas mógł być mierzony dalej. Ten podwójny zegar Huygens umieścił we wspólnej ramie. Gdy pewnego dnia 1665 r. leżał chory w swym mieszkaniu, zaczął uważnie obserwować zegar z dwoma wahadłami i zdumiony odkrył, że ich wahania są zsynchronizowane w antyfazie: jednocześnie zbiegają się ku sobie i jednocześnie od siebie się oddalają. Chcąc wyjaśnić to zjawisko, uczony zaczął uruchamiać wahadła w różny sposób i przekonał się, że niezależnie od tego, jak to zrobi, po jakimś czasie, nie dłuższym niż pół godziny, synchronizacja wahań powraca. Bez względu na początkowe położenia wahadeł. Ślady bezowocnych poszukiwań Huygensa przetrwały w jego notatkach oraz w liście do ojca, gdzie opisał całą historię.
Zagadka podwójnego zegara Huygensa pozostawała nierozwiązana przez 336 lat, dopóki nie zainteresowali się nią uczeni z Wydziału Fizyki Politechniki Georgii, zajmujący się drganiami układów nieliniowych. Michael Schatz, Kurt Wiesenfeld i ich współpracownicy odtworzyli mechanizm podwójnego zegara i zaczęli precyzyjnie mierzyć drgania różnych jego elementów, używając w tym celu także laserów.
Jak się okazało, tajemnica skrywa się we wspólnej obudowie zegarów, a dokładniej - w jej wadze. W zegarze Huygensa była ona znaczna (kilkadziesiąt kilogramów), by uczynić go jak najmniej czułym na ruchy statku. Pozostające w ruchu wahadła przekazywały energię obudowie, a ta z kolei - wahadłom. Przy takim stosunku mas wahadeł do masy obudowy równowaga układu ustalała się przy zsynchronizowaniu drgań w antyfazie. Gdyby Huygens skonstruował jeszcze masywniejszą obudowę, ruch wahadeł nie wywierałby na nią znaczącego wpływu i nie doszłoby do synchronizacji. Gdyby natomiast obudowa była lżejsza, przekazywanie drgań odbywałoby się tak energicznie, że prędzej czy później przynajmniej jedno wahadło ulegałoby zatrzymaniu.
Zagadka zegara Huygensa ma również ogólniejsze znaczenie. Mamy tutaj do czynienia z modelem spontanicznej synchronizacji układu - zjawiska, które występuje w przyrodzie powszechnie, a którego opis matematyczny, ze względu na jego nieliniowość i chaotyczność, nie jest rzeczą trywialną. A obserwujemy ją zarówno na poziomie mikroskopowym, w układach komórek, jak i w ruchach ciał niebieskich.
nowinki/pl
pozdrawiam. Tomek
Bezinteresowna przyjaźń może istnieć tylko pomiędzy ludźmi o tych samych dochodach.
-- Paul Getty
Pozdrawiam - Tomek
KAIN
)
