미국 최초의 시계가 실패한 이유에 대한 물리학

Dec 05, 2023

거의 3세기 동안 인류가 시간을 추적하는 가장 정확한 방법은 진자시계를 이용하는 것이었습니다. 17세기 초기 개발부터 1920년대 석영 시계 발명까지 진자시계는 가정 생활의 필수품이 되었으며 사람들이 보편적으로 합의된 표준에 따라 일정을 정리할 수 있게 되었습니다. 1656년 크리스티안 호이겐스(Christian Huygens)가 네덜란드에서 처음 발명한 초기 디자인은 정밀도를 크게 높이기 위해 신속하게 개선되었으며, 진자시계는 하루에 단 ~2초의 허용 오차 내에서 정확하게 시간을 유지하는 것이 곧 일상화되었습니다. .

그러나 최초의 진자시계가 아메리카 대륙에 소개되었을 때 이상한 일이 일어났습니다. 유럽에서 정확한 시간을 유지하는 데 완벽하게 작동했던 시계는 처음에는 일몰/일출 및 월몰/월출과 같은 알려진 천문 현상과 동기화되었습니다. 그러나 아메리카 대륙에 도착한 지 불과 1~2주가 지나자 시계가 시간을 제대로 맞추지 못하고 있다는 것이 분명해졌습니다. 미국 최초의 시계는 완전히 실패했습니다. 그러나 그것은 지구의 물리학과 중력에 대한 우리의 이해를 혁명적으로 바꿀 이야기의 시작일 뿐입니다.

수천년 동안 과학자들은 고대 해시계만큼 시간을 측정하는 데 더 나은 방법이 없었습니다. 그러나 1600년대 초반부터 흔들리는 진자에 대한 과학적 조사, 특히 진자의 주기가 길이에 의해서만 결정된다는 갈릴레오의 관찰을 통해 진자가 이론적으로 시계로 사용될 수 있다는 생각이 탄생했습니다. 그것은 진자 자체의 두께, 진자 끝에 있는 추의 질량, 또는 진자가 올라간 각도에 의존하지 않습니다. 그 기간 동안에는 진자의 길이만이 중요했습니다. 갈릴레오는 1637년에 이 아이디어를 논의했고, 비록 그가 1642년에 죽었음에도 불구하고 그 아이디어는 계속 살아있을 뿐만 아니라 이제 막 독립을 시작한 과학자 세대에게 영향을 미칠 것입니다.

1656년 네덜란드에서 일하던 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens)는 여러 면에서 원시적이면서 혁명적인 최초의 작동하는 진자시계를 발명했습니다. 다음 수십 년 동안 다음을 포함하여 진자 시계를 더욱 향상시키는 개선이 이루어졌습니다.

이러한 모든 혁신은 1700년 이전에 이루어졌습니다. 짧은 시간 안에 놀라운 발전을 이루었습니다. 이 진자 시계에서 발생한 가장 큰 "오류 원인"은 온도 변화로 인한 것이었습니다. 즉, 진자의 길이는 온도에 따라 열적으로 팽창하거나 수축하는 재료로 만들어지므로 늘어나거나 줄어듭니다. 온도가 변해도 진동 주기가 변하지 않는 온도 보상 진자를 개발함으로써 진자 시계는 일주일에 단 몇 초 이내로 정확해질 수 있습니다. 최초의 미국산 시계는 그 발전 이후 수십 년 동안 발생하지 않았기 때문에 아메리카 대륙에서 시간을 측정하려는 최초의 시도는 유럽에서 수입된 장치에 의존하게 되었습니다.

최초의 진자시계가 유럽에서 미국으로 옮겨졌을 때, 시간 측정의 큰 수수께끼가 탄생한 곳이 바로 여기입니다. 네덜란드에서 제작되고 보정된 시계는 매우 정확했습니다. 일몰/일출 및 월몰/월출 시간은 몇 주 동안 정확했으며, 약 한 달이 지날 때까지 추가 보정이 필요 없이 예상 시간의 1분 이내에 별이 뜨고 졌습니다.

그러나 미국에 도착하자마자 시계가 감겨지고 똑딱거리기 시작했고, 아주 짧은 시간 안에 모든 것이 잘못되기 시작했습니다.

일주일 만에 사람들은 이 새로운 시계에 따르면 태양과 달이 예상한 시간에 뜨거나 지지 않는다는 것을 알아차렸습니다. 더욱이 불일치는 날이 갈수록 더욱 심해졌습니다. 당시 시계는 하루에 약 2초, 일주일에 약 15초 이내로 정확해야 했지만, 하루에 30초 이상 느리게 움직이는 것으로 관찰되었습니다. 첫 주가 끝날 무렵에는 약 4~5분 정도 지연되었는데, 이는 비참할 정도로 용납할 수 없는 오류였습니다.