ทำไมลูกตุ้มจึงมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์?

ลูกตุ้มเป็นอุปกรณ์ที่ค่อนข้างเรียบง่ายและได้รับการศึกษามาตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี กาลิเลโอ กาลิเลอี เริ่มการทดลองโดยใช้ลูกตุ้มในช่วงต้นทศวรรษ 1600 และนาฬิกาลูกตุ้มเครื่องแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1656 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ คริสเตียอัน ฮอยเกนส์ ตั้งแต่ช่วงแรกๆ ลูกตุ้มยังคงมีบทบาทสำคัญในการสร้างเครื่องจักรที่ซับซ้อนมากขึ้น รวมทั้งมีส่วนทำให้เกิดความเข้าใจในฟิสิกส์สมัยใหม่

ลูกตุ้มประกอบด้วยตุ้มน้ำหนัก เรียกว่า บ๊อบ ซึ่งห้อยลงมาจากจุดตายตัว เมื่อลูกตุ้มทำงานหรือดึงไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ลูกตุ้มจะแสดงหลักการเคลื่อนที่ที่เรียกว่าความเฉื่อย ซึ่งเป็นกฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน ระบุว่าร่างกายอยู่นิ่ง อยู่นิ่ง และร่างกายเคลื่อนไหวยังคงเคลื่อนไหว เว้นแต่จะถูกกระทำโดยแรงภายนอก ลูกตุ้มเป็นเครื่องพิสูจน์กฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน

ไม่นานหลังจากกาลิเลโอเริ่มศึกษาคุณสมบัติของลูกตุ้มอย่างเป็นทางการ เขาอธิบายข้อสังเกตของเขาในจดหมายถึงเพื่อนคนหนึ่ง จดหมายของกาลิเลโอบรรยายถึงการค้นพบของเขาว่าเวลาที่ลูกตุ้มแกว่งไปมายังคงที่ ต่อมา ซานโตริโอเริ่มใช้ลูกตุ้มเพื่อวัดชีพจรของผู้ป่วย ในศตวรรษเดียวกันกับการค้นพบของกาลิเลโอ ลูกตุ้มเริ่มถูกนำมาใช้แทนกลไกที่ไม่น่าเชื่อถือซึ่งขับเคลื่อนนาฬิกา

กาลิเลโอใช้ลูกตุ้มเพื่อวัดผลกระทบของแรงโน้มถ่วง เขาสังเกตเห็นว่าเหตุผลที่ลูกตุ้มเคลื่อนที่กลับไปที่ตำแหน่งพักเป็นเพราะแรงโน้มถ่วงดึงบ๊อบลง การใช้คณิตศาสตร์และความจริงที่ว่าลูกตุ้มแกว่งด้วยอัตราคงที่ กาลิเลโอสามารถระบุผลกระทบโดยประมาณของการดึงแรงโน้มถ่วงได้ การทดลองเบื้องต้นและการใช้ลูกตุ้มเหล่านี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณรูปร่างของโลกได้

นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งสมมติฐานว่าโลกเป็นลูกกลมที่หมุนเป็นวงกลมมาเป็นเวลาหลายพันปี อย่างไรก็ตาม หลังจากกาลิเลโอเริ่มการทดลองจนถึงปี 1851-200 ปี นักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งสามารถพิสูจน์การหมุนของโลกได้ ฟูโกต์ นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ใช้ลูกตุ้มเพื่อแสดงให้เห็นว่าโลกหมุนไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังใช้เวลา 24 ชั่วโมงในการทำเช่นนั้นด้วย การสาธิตของฟูโกต์แสดงลูกตุ้มที่ดูเหมือนจะหมุน อันที่จริง การตั้งค่าลูกตุ้มทำให้ไม่สามารถหมุนได้ ซึ่งหมายความว่าพื้นใต้ลูกตุ้มหมุนอยู่