لماذا يتأرجح البندول؟

درس جاليليو جاليلي (1564-1642) أولاً سبب تأرجح البندول. كان عمله بداية استخدام القياسات لشرح القوى الأساسية.

استفاد كريستيان هيغنز من انتظام البندول لإنشاء ساعة البندول في عام 1656 ، والتي قدمت دقة لم يتم تحقيقها حتى ذلك الحين. كان هذا الجهاز الجديد دقيقًا في غضون 15 ثانية في اليوم.

استخدم السير إسحاق نيوتن (1642-1727) هذا العمل المبكر عندما طور قوانين الحركة. أدى عمل نيوتن بدوره إلى تطورات لاحقة مثل جهاز قياس الزلازل لقياس الزلازل.

•••Ablestock.com/AbleStock.com/Getty Images

يمكن استخدام البندول لإظهار أن الأرض مستديرة. يتأرجح البندول بنمط موثوق به ويعمل بقوة الجاذبية غير المرئية ، والتي تختلف باختلاف الارتفاع. إذا كان البندول فوق القطب الشمالي مباشرة ، فإن نمط حركة البندول يبدو أنه يتغير في إطار زمني مدته 24 ساعة ولكنه لا يتغير. تدور الأرض بينما يظل البندول في نفس مستوى الحركة.

هناك طرق مختلفة لبناء البندولات التي تغير طريقة تأرجحها. ومع ذلك ، تظل الفيزياء الأساسية الكامنة وراء كيفية عملها هي نفسها دائمًا.

•••هومونيا / إستوك / جيتي إيماجيس

يمكن صنع بندول بسيط بخيط ووزن معلق من نقطة واحدة. يمكن استخدام مواد أخرى في السلسلة ، مثل قضيب أو سلك. يمكن أن يكون الوزن ، الذي يسمى بوب ، من أي وزن. تجربة جاليليو بإسقاط كرتين من المدافع بأوزان مختلفة توضح ذلك. تتسارع الأجسام ذات الكتلة المختلفة تحت تأثير قوة الجاذبية بنفس المعدل.

•••cerae / إستوك / جيتي إيماجيس

يتم شرح العلم وراء البندول من خلال قوى الجاذبية والقصور الذاتي.

تجذب جاذبية الأرض البندول. عندما يكون البندول ثابتًا ، يكون السلك والوزن مستقيمين وبزاوية 90 درجة مع الأرض حيث تسحب الجاذبية الخيط والوزن إلى الأرض. يتسبب القصور الذاتي في بقاء البندول في حالة راحة ما لم تتسبب قوة في تحريكه.

عندما يتحرك السلك والوزن في حركة مستقيمة ، فإن الوزن والسلك يتصرفان في حالة القصور الذاتي. هذا يعني أنه نظرًا لأن البندول يتحرك الآن ، فإنه يستمر في الحركة ، ما لم تكن هناك قوة تعمل على إيقافه.

تعمل الجاذبية على البندول أثناء تحركه. تصبح القوة المتحركة أقل عندما تعمل قوة الجاذبية على البندول. يتباطأ البندول ثم يعود إلى نقطة البداية. تستمر قوة التأرجح ذهابًا وإيابًا حتى تصبح القوة التي بدأت الحركة أقوى من الجاذبية ، ثم يستقر البندول مرة أخرى.

الجاذبية لا تسحب البندول للخلف للعودة إلى نقطة البداية على نفس المسار. قوة الجاذبية تسحب البندول نحو الأرض.

تعمل القوى الأخرى في مواجهة قوة البندول المتحرك. هذه القوى هي مقاومة الهواء (الاحتكاك في الهواء) ، الضغط الجوي (الغلاف الجوي في البحر المستوى ، الذي يقل عند الارتفاعات الأعلى) والاحتكاك عند النقطة التي يكون فيها الجزء العلوي من السلك متصل.

•••ستيوارتميلز 99 / إستوك / جيتي إيماجيس

كتب نيوتن في عام 1667 ، في Principia Mathematica ، أنه نظرًا لكون الأرض بيضاوية الشكل ، فإن الجاذبية تمارس مستوى مختلفًا من التأثير عند خطوط العرض المختلفة.

•••إرنستبويسي / إستوك / جيتي إيماجيس

عندما درس البندول ، اكتشف جاليليو أنه سيتأرجح على أساس منتظم. يمكن قياس تأرجحها ، الذي يُطلق عليه اسم فترتها. لم يغير طول السلك بشكل عام فترة البندول.

ومع ذلك ، في وقت لاحق ، عندما تم تطوير الأجهزة الميكانيكية ، مثل ساعة البندول ، وجد أن طول البندول لا يغير الفترة. تؤدي التغيرات في درجات الحرارة إلى تغيير طفيف في طول القضيب ، والنتيجة هي تغيير في الفترة.