ทำไมลูกตุ้มแกว่ง?

กาลิเลโอ กาลิเลอี (1564-1642) ได้ทำการศึกษาครั้งแรกว่าทำไมลูกตุ้มจึงแกว่ง งานของเขาคือจุดเริ่มต้นของการใช้การวัดเพื่ออธิบายแรงพื้นฐาน

Christiaan Huygens ใช้ความสม่ำเสมอของลูกตุ้มเพื่อสร้างนาฬิกาลูกตุ้มในปี 1656 ซึ่งให้ความแม่นยำที่จนถึงตอนนั้นยังไม่ได้รับ อุปกรณ์ใหม่นี้มีความแม่นยำภายใน 15 วินาทีต่อวัน

เซอร์ไอแซก นิวตัน (ค.ศ. 1642-1727) ใช้ประโยชน์จากงานแรกๆ นี้ในขณะที่เขาพัฒนากฎการเคลื่อนที่ งานของนิวตันนำไปสู่การพัฒนาในภายหลัง เช่น เครื่องวัดแผ่นดินไหวสำหรับวัดแผ่นดินไหว

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

ลูกตุ้มสามารถใช้แสดงว่าโลกกลม ลูกตุ้มแกว่งด้วยรูปแบบที่เชื่อถือได้และทำงานด้วยแรงโน้มถ่วงที่มองไม่เห็น ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามระดับความสูง หากลูกตุ้มอยู่เหนือขั้วโลกเหนือโดยตรง รูปแบบการเคลื่อนไหวของลูกตุ้มดูเหมือนจะเปลี่ยนไปในกรอบเวลายี่สิบสี่ชั่วโมง แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น โลกหมุนในขณะที่ลูกตุ้มอยู่ในระนาบการเคลื่อนที่เดียวกัน

มีหลายวิธีในการสร้างลูกตุ้มที่เปลี่ยนวิธีการแกว่ง ทว่าฟิสิกส์พื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังวิธีการทำงานยังคงเหมือนเดิมเสมอ

•••humonia / iStock / Getty Images

ลูกตุ้มธรรมดาสามารถสร้างด้วยเชือกและตุ้มน้ำหนักที่แขวนไว้ที่จุดเดียว วัสดุอื่นๆ สามารถใช้ทำเชือกได้ เช่น แท่งหรือลวด น้ำหนักที่เรียกว่าบ็อบ จะมีน้ำหนักเท่าใดก็ได้ การทดลองของกาลิเลโอในการปล่อยลูกปืนใหญ่สองลูกที่มีน้ำหนักต่างกันแสดงให้เห็นสิ่งนี้ วัตถุที่มีมวลต่างกันจะเร่งความเร็วภายใต้แรงโน้มถ่วงในอัตราเดียวกัน

•••cerae / iStock / Getty Images

วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังลูกตุ้มอธิบายผ่านแรงโน้มถ่วงและความเฉื่อย

แรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดลูกตุ้ม เมื่อลูกตุ้มห้อยอยู่กับที่ ลวดและน้ำหนักจะตั้งตรงและทำมุม 90 องศากับพื้นโลกเมื่อแรงโน้มถ่วงดึงเชือกและน้ำหนักลงสู่พื้นโลก ความเฉื่อยทำให้ลูกตุ้มหยุดนิ่งเว้นแต่แรงจะทำให้ลูกตุ้มเคลื่อนที่

เมื่อลวดและน้ำหนักเคลื่อนที่เป็นแนวตรง น้ำหนักและลวดจะทำหน้าที่ภายใต้ความเฉื่อย ซึ่งหมายความว่าเนื่องจากขณะนี้ลูกตุ้มเคลื่อนที่ ลูกตุ้มจะเคลื่อนที่ต่อไป เว้นแต่จะมีแรงกระทำให้หยุด

แรงโน้มถ่วงทำงานบนลูกตุ้มขณะเคลื่อนที่ แรงเคลื่อนที่จะลดลงเมื่อแรงโน้มถ่วงกระทำต่อลูกตุ้ม ลูกตุ้มช้าลงแล้วกลับไปที่จุดเริ่มต้น แรงแกว่งไปมานี้จะดำเนินต่อไปจนกระทั่งแรงที่เริ่มการเคลื่อนที่ไม่แรงกว่าแรงโน้มถ่วง จากนั้นลูกตุ้มจะหยุดนิ่งอีกครั้ง

แรงโน้มถ่วงไม่ได้ดึงลูกตุ้มกลับมาเพื่อกลับไปยังจุดเริ่มต้นตามเส้นทางเดียวกัน แรงโน้มถ่วงกำลังดึงลูกตุ้มลงมายังโลก

แรงอื่นๆ กระทำการตรงกันข้ามกับแรงของลูกตุ้มที่กำลังเคลื่อนที่ แรงเหล่านี้คือแรงต้านอากาศ (แรงเสียดทานในอากาศ) ความกดอากาศ (บรรยากาศในทะเล ซึ่งลดน้อยลงที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น) และแรงเสียดทานที่จุดบนสุดของเส้นลวดคือ เชื่อมต่อ

•••stuartmiles99 / iStock / Getty Images

นิวตันเขียนในปี ค.ศ. 1667 ใน Principia Mathematica ว่าเนื่องจากโลกเป็นวงรี แรงโน้มถ่วงจึงส่งอิทธิพลในระดับที่แตกต่างกันในละติจูดที่ต่างกัน

•••ernstboese / iStock / Getty Images

เมื่อเขาศึกษาลูกตุ้ม กาลิเลโอพบว่ามันจะแกว่งอยู่เป็นประจำ สามารถวัดวงสวิงที่เรียกว่าคาบของมันได้ ความยาวของเส้นลวดโดยทั่วไปไม่ได้เปลี่ยนระยะเวลาของลูกตุ้ม

อย่างไรก็ตาม ต่อมาเมื่อมีการพัฒนาอุปกรณ์ทางกล เช่น นาฬิกาลูกตุ้ม พบว่าความยาวของลูกตุ้มเปลี่ยนระยะเวลา การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความยาวของแกน โดยผลที่ได้คือการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลา