Proč se kyvadlo houpá?

Galileo Galilei (1564-1642) nejprve studoval, proč se kyvadlo houpá. Jeho prací byl začátek používání měření k vysvětlení základních sil.

Christiaan Huygens využil pravidelnosti kyvadla ke konstrukci kyvadlových hodin v roce 1656, což poskytovalo přesnost, které do té doby nebylo dosaženo. Toto nové zařízení bylo přesné do 15 sekund denně.

Sir Isaac Newton (1642-1727) využil této rané práce při vývoji pohybových zákonů. Newtonova práce zase vedla k pozdějšímu vývoji, jako je seismograf pro měření zemětřesení.

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

Kyvadla lze použít k označení, že Země je kulatá. Kyvadla se houpají se spolehlivým vzorem a pracují s neviditelnou gravitační silou, která se mění v závislosti na nadmořské výšce. Pokud je kyvadlo přímo nad severním pólem, zdá se, že se pohybový vzorec kyvadla ve 24hodinovém časovém rámci mění, ale není tomu tak. Země se otáčí, zatímco kyvadlo zůstává ve stejné rovině pohybu.

Existují různé způsoby konstrukce kyvadel, které mění způsob jejich houpání. Základní fyzika za tím, jak fungují, však vždy zůstává stejná.

•••humonia / iStock / Getty Images

Jednoduché kyvadlo lze vyrobit pomocí provázku a závaží zavěšeného z jednoho bodu. Pro provázek lze použít jiný materiál, například tyč nebo drát. Váha, která se nazývá bob, může mít jakoukoli váhu. Ilustruje to Galileův experiment se zhazováním dvou dělových koulí různých hmotností. Objekty různé hmotnosti zrychlují pod gravitační silou stejnou rychlostí.

•••cerae / iStock / Getty Images

Věda za kyvadlem je vysvětlena pomocí gravitačních sil a setrvačnosti.

Gravitace Země přitahuje kyvadlo. Když kyvadlo nehybně visí, drát a závaží jsou rovné a jsou v 90 ° úhlu k Zemi, protože gravitace táhne provázek a závaží na Zemi. Setrvačnost způsobí, že kyvadlo zůstane v klidu, pokud ho síla nezpůsobí k pohybu.

Když se drát a závaží pohybují přímým pohybem, působí závaží a drát v setrvačnosti. To znamená, že protože kyvadlo je nyní v pohybu, stále se pohybuje, pokud nepůsobí síla, která by jej zastavila.

Gravitace působí na kyvadlo, když se pohybuje. Pohybová síla se zmenšuje, protože gravitační síla působí na kyvadlo. Kyvadlo zpomalí a poté se vrátí do výchozího bodu. Tato síla kývání sem a tam pokračuje, dokud síla, která zahájila pohyb, není silnější než gravitace, a poté je kyvadlo opět v klidu.

Gravitace neťahá kyvadlo zpět, aby se vrátila do počátečního bodu stejnou cestou. Gravitační síla táhne kyvadlo dolů k Zemi.

Ostatní síly působí proti síle pohybujícího se kyvadla. Tyto síly jsou odpor vzduchu (tření ve vzduchu), atmosférický tlak (atmosféra na moři) úroveň, která se zmenšuje ve vyšších nadmořských výškách) a tření v místě, kde je horní část drátu připojeno.

•••stuartmiles99 / iStock / Getty Images

Newton napsal v roce 1667 v Principia Mathematica, že vzhledem k tomu, že Země je eliptická, má gravitace v různých zeměpisných šířkách jinou úroveň vlivu.

•••ernstboese / iStock / Getty Images

Když Galileo studoval kyvadlo, zjistil, že se bude pravidelně houpat. Jeho švih, nazývaný jeho období, lze měřit. Délka drátu obecně nezměnila dobu kyvadla.

Avšak později, jak byla vyvinuta mechanická zařízení, jako jsou kyvadlové hodiny, bylo zjištěno, že délka kyvadla mění období. Změny teploty vedou k mírné změně délky prutu, což má za následek změnu období.