מדוע מטוטלת מתנדנדת?

גלילאו גליליי (1564-1642) למד לראשונה מדוע מטוטלת מתנדנדת. עבודתו הייתה תחילת השימוש במדידות כדי להסביר כוחות בסיסיים.

כריסטיאן הויגנס עשה שימוש בקביעות המטוטלת כדי לבנות את שעון המטוטלת בשנת 1656, אשר סיפק דיוק שעד אז לא הושג. המכשיר החדש הזה היה מדויק תוך 15 שניות ביום.

סר אייזק ניוטון (1642-1727) השתמש בעבודה מוקדמת זו כאשר פיתח את חוקי התנועה. עבודתו של ניוטון בתורו הובילה להתפתחויות מאוחרות יותר כמו סייסמוגרף למדידת רעידות אדמה.

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

ניתן להשתמש במטוטלות כדי להראות שכדור הארץ עגול. מטוטלות מתנדנדות בדפוס אמין ופועלות בכוח המשיכה הבלתי נראה, המשתנה בהתאם לגובה. אם המטוטלת נמצאת ישירות מעל הקוטב הצפוני, נראה כי דפוס התנועה של המטוטלת משתנה במסגרת זמן של עשרים וארבע שעות אך הוא אינו קורה. כדור הארץ מסתובב בעוד המטוטלת נשארת באותו מישור תנועה.

ישנן דרכים שונות לבנות מטוטלות שמשנות את הדרך בה הן מתנדנדות. עם זאת, הפיזיקה הבסיסית שמאחורי אופן פעולתן נשארת תמיד זהה.

•••הומוניה / iStock / Getty Images

ניתן להכין מטוטלת פשוטה עם חוט ומשקל תלוי מנקודה אחת. ניתן להשתמש בחומר אחר למיתר, כמו מוט או חוט. המשקל, הנקרא בוב, יכול להיות מכל משקל. הניסוי של גליליאו להפיל שני כדורי תותחים במשקלים שונים ממחיש זאת. עצמים בעלי מסה שונה מואצים בכוח המשיכה באותו קצב.

•••תמונות cerae / iStock / Getty

המדע שמאחורי המטוטלת מוסבר באמצעות כוחות הכבידה והאינרציה.

כוח המשיכה של כדור הארץ מושך את המטוטלת. כאשר המטוטלת תלויה דומם, החוט והמשקל ישרים ובזווית של 90 מעלות לכדור הארץ כאשר כוח המשיכה מושך את החוט ואת המשקל לכדור הארץ. אינרציה גורמת למטוטלת להישאר במנוחה אלא אם כן כוח גורם לתנועה שלה.

כאשר החוט והמשקל מועברים בתנועה ישרה, המשקל והחוט פועלים תחת אינרציה. המשמעות היא שמכיוון שהמטוטלת נמצאת כעת בתנועה, היא ממשיכה לנוע, אלא אם כן יש כוח שפועל לגרום לה להפסיק.

כוח המשיכה עובד על המטוטלת בזמן שהוא נע. הכוח הנע נעשה פחות ככל שכוח הכבידה פועל על המטוטלת. המטוטלת מאטה ואז חוזרת לנקודת ההתחלה. כוח מתנדנד קדימה ואחורה ממשיך עד שהכוח שהתחיל את התנועה אינו חזק מכוח המשיכה, ואז המטוטלת שוב במנוחה.

כוח המשיכה אינו מושך את המטוטלת אחורה כדי לחזור לנקודת ההתחלה באותו נתיב. כוח הכבידה מושך את המטוטלת כלפי מטה לכדור הארץ.

כוחות אחרים פועלים בניגוד לכוח המטוטלת הנעית. כוחות אלה הם עמידות אוויר (חיכוך באוויר), לחץ אטמוספרי (אטמוספרה בים רמה, המצטמצמת בגבהים גבוהים יותר) וחיכוך בנקודה בה נמצא החלק העליון של החוט מְחוּבָּר.

•••stuartmiles99 / iStock / Getty Images

ניוטון כתב בשנת 1667, ב- Principia Mathematica, כי בגלל היותו כדור הארץ אליפטי, כוח המשיכה מפעיל רמת השפעה שונה בקווי רוחב שונים.

•••ernstboese / iStock / Getty Images

כשלמד את המטוטלת גילה גלילאו שהיא תתנדנד על בסיס קבוע. ניתן למדוד את הנדנדה שלה, שנקראה תקופתה. אורך החוט באופן כללי לא שינה את תקופת המטוטלת.

עם זאת, מאוחר יותר, כאשר פותחו מכשירים מכניים, כמו שעון המטוטלת, נמצא כי אורך המטוטלת אכן משנה את התקופה. שינויי טמפרטורה גורמים לשינוי קל באורך המוט, כאשר התוצאה היא שינוי בתקופה.