Con lắc

Lịch sử

Một trong những công dụng sớm nhất của con lắc là thiết bị đo địa chấn vào thế kỷ I được sáng chế bởi Trương Hành, một người Trung Quốc thời nhà Hán. Cơ chế hoạt động của nó gồm một con lắc lắc lư bên trong và kích hoạt một trong những đòn bẩy sau khi có cơn động đất. Đòn bẩy bị kích hoạt, một quả bóng nhỏ sẽ rơi ra khỏi thiết bị hình chiếc bình vào một trong tám miệng con cóc kim loại bên dưới, được đặt tại tám điểm của la bàn, biểu thị hướng của trận động đất.
Nhiều nguồn cho rằng nhà thiên văn học Ai Cập thế kỷ X Ibn Yunus đã sử dụng một con lắc để đo thời gian, nhưng đây là một sai lầm bắt nguồn từ năm 1684 bởi nhà sử học người Anh Edward Bernard.
Trong thời Phục hưng, các con lắc được bơm bằng tay lớn đã được sử dụng làm nguồn năng lượng cho các máy đối ứng thủ công như cưa, ống thổi và bơm. Leonardo da Vinci đã thực hiện nhiều bản vẽ về chuyển động của con lắc, mặc dù ông không nhận ra nó rất hữu ích trong việc đo thời gian.

1602: Nghiên cứu của Galileo

Nhà khoa học người Ý Galileo Galilei là người đầu tiên nghiên cứu các tính chất của con lắc, bắt đầu vào khoảng năm 1602. Báo cáo sớm nhất về nghiên cứu của ông có được nhắc đến trong một bức thư gửi Guido Ubaldo dal Monte, từ Padua, ngày 29 tháng 11 năm 1602. Nhà viết tiểu sử và học trò của ông, Vincenzo Viviani, tuyên bố rằng sự quan tâm của ông đến con lắc được khơi dậy vào khoảng năm 1582 bởi chuyển động lắc lư của một chiếc đèn chùm trong Nhà thờ Pisa. Galileo đã khám phá ra tính chất quan trọng làm cho con lắc trở nên hữu ích trong việc đo thời gian, được gọi là tính đẳng thời; chu kì của con lắc xấp xỉ độc lập với biên độ và chiều rộng của dao động. Ông cũng nhận thấy rằng khoảng thời gian này không phụ thuộc vào khối lượng của quả nặng và tỷ lệ với căn bậc hai chiều dài con lắc. Ông sử dụng các con lắc tự do trong các ứng dụng đo thời gian đơn giản. Người bạn bác sĩ của ông, Santorio Santorii, đã phát minh ra một thiết bị đo nhịp tim của bệnh nhân bằng chiều dài của một con lắc; gọi là pulsilogium. Năm 1641, Galileo đã nảy ra ý tưởng và ra lệnh cho con trai của mình là Vincenzo, một thiết kế cho đồng hồ quả lắc; Vincenzo bắt đầu chế tạo thứ này, nhưng chưa kịp hoàn thành nó thì ông đã qua đời vào năm 1649. Con lắc là cơ cấu dao động điều hòa đầu tiên được con người sử dụng.

1656: Đồng hồ quả lắc

Năm 1656, nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens đã chế tác chiếc đồng hồ quả lắc đầu tiên. Đây là một cải tiến lớn so với đồng hồ cơ thời bấy giờ; độ lệch thời gian nhỏ nhất của chúng được cải thiện từ khoảng 15 phút mỗi ngày thành khoảng 15 giây mỗi ngày. Các con lắc lan rộng khắp châu Âu khi các đồng hồ hiện có được trang bị thêm.
Nhà khoa học người Anh Robert Hooke đã nghiên cứu con lắc hình nón vào khoảng năm 1666, bao gồm một con lắc có thể tự do lắc theo hai chiều, với quả nặng vẽ ra quỹ đạo hình tròn hoặc hình ê-líp. Ông đã sử dụng các chuyển động của thiết bị này như một mô hình để phân tích chuyển động quỹ đạo của các hành tinh. Hooke đề nghị với Isaac Newton vào năm 1679 rằng các thành phần của chuyển động quỹ đạo bao gồm chuyển động quán tính dọc theo hướng tiếp tuyến cộng với chuyển động hấp dẫn theo hướng xuyên tâm. Điều này đóng góp một phần trong công thức của Newton về định luật vạn vật hấp dẫn. Robert Hooke cũng chịu trách nhiệm đề xuất sớm nhất là vào năm 1666, rằng con lắc có thể được sử dụng để đo lực hấp dẫn.
Trong chuyến thám hiểm tới Cayenne, Guiana thuộc Pháp năm 1671, Jean Richer phát hiện ra rằng đồng hồ quả lắc chậm hơn 2 phút rưỡi mỗi ngày tại Cayenne so với tại Paris. Từ đó, ông suy luận rằng lực hấp dẫn ở Cayenne yếu hơn. Vào năm 1687, Isaac Newton trong cuốn Princia Mathematica đã chỉ ra rằng đó là do Trái đất không phải là một hình cầu thực sự mà có phần dẹt lại (dẹt ở hai cực) do tác dụng của lực ly tâm tạo ra bởi sự tự quay của chính nó, khiến lực hấp dẫn tăng theo vĩ độ. Các con lắc di động tiện lợi bắt đầu được các nhà thám hiểm mang theo trong các chuyến đi đến những vùng đất xa xôi, như các thước đo chính xác để xác định gia tốc trọng trường tại những nơi khác nhau trên Trái đất, cuối cùng tạo ra các mô hình chính xác về hình dạng của Trái đất.

1673: Bãi Chung Luận (Horologium Oscillatorium) của Huygens

Năm 1673, 17 năm sau khi ông phát minh ra đồng hồ quả lắc, Christiaan Huygens đã công bố lý thuyết về con lắc trong cuốn, Horologium Oscillatorium sive de motu Pendulorum. Marin Mersenne và René Descartes đã phát hiện ra vào khoảng năm 1636 rằng con lắc không hoàn toàn đẳng thời; chu kỳ của nó tăng lên một chút với biên độ của nó. Huygens đã phân tích vấn đề này bằng cách xác định một đường cong mà một vật phải đi theo để hạ xuống theo trọng lực đến cùng một điểm trong cùng một khoảng thời gian, bất kể điểm bắt đầu; đường cong đó chính là đường tautochrone. Bằng một phương pháp phức tạp gần giống với phép vi phân, ông đã chứng minh đường cong này là một cycloid, chứ không phải là cung tròn vệt ra bởi một con lắc, xác nhận rằng con lắc không phải là đẳng thời và quan sát về đẳng tích của Galile chỉ chính xác đối với dao động nhỏ. Huygens cũng giải quyết vấn đề làm thế nào để tính chu kỳ của một con lắc có hình dạng tùy ý (gọi là con lắc vật lý), khám phá ra tâm dao động và khả năng hoán đổi của nó với điểm treo.

1721: Con lắc bố chính nhiệt độ

Trong thế kỷ 18 và 19, vai trò của đồng hồ quả lắc chính xác nhất đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu thực tế trong việc cải tiến con lắc. Người ta đã thấy một lỗi lớn là dây con lắc giãn nở và co lại dựa theo nhiệt độ môi trường, thay đổi chu kỳ xoay. Điều này đã được giải quyết với việc phát minh ra các con lắc bố chính nhiệt độ, con lắc thủy ngân năm 1721 và con lắc Gridiron năm 1726, giảm sai số trong đồng hồ quả lắc chính xác xuống vài giây mỗi tuần.
Độ chính xác của các phép đo trọng lực được thực hiện với con lắc bị hạn chế bởi khó khăn trong việc tìm vị trí tâm dao động của chúng. Huygens đã phát hiện ra vào năm 1673 rằng một con lắc có cùng chu kỳ khi được treo từ tâm dao động của nó và khi được treo ở điểm trục của nó, và khoảng cách giữa hai điểm bằng với chiều dài của một con lắc đơn cùng chu kỳ. Năm 1818, Thuyền trưởng Henry Kater người Anh đã phát minh ra con lắc Kater có thể đảo ngược sử dụng nguyên lý này, thực hiện các phép đo trọng lực rất chính xác. Trong thế kỷ tiếp theo, con lắc đảo ngược là phương pháp tiêu chuẩn để đo gia tốc trọng trường tuyệt đối.

1851: Con lắc Foucault

Năm 1851, Jean Bernard Léon Foucault đã chỉ ra rằng mặt phẳng dao động của một con lắc, giống như con quay hồi chuyển, có xu hướng không đổi bất kể chuyển động của trục, và điều này có thể được sử dụng để chứng minh sự tự quay của Trái đất. Ông đã treo một con lắc tự do đu theo hai chiều (sau này được đặt tên là con lắc Foucault) từ mái vòm của Điện Panthéon ở Paris. Chiều dài của dây là 67m (220 ft). Khi con lắc được cho chuyển động, mặt phẳng xoay được quan sát thấy tiến động hoặc quay 360° theo chiều kim đồng hồ trong vòng 32 giờ. Đây là minh chứng đầu tiên về sự quay của Trái đất không phụ thuộc vào các quan sát thiên thể, và một "cơn sốt con lắc" đã nổ ra, con lắc Foucault sau đó được trưng bày ở nhiều thành phố và thu hút đông khác tham quan.

1930: Sụt giảm trong sử dụng

Khoảng 1900 vật liệu giãn nở nhiệt thấp bắt đầu được sử dụng cho dây con lắc trong đồng hồ có độ chính xác cao nhất và các dụng cụ khác, invar đầu tiên, một hợp kim thép niken, và sau này là thạch anh nung chảy, làm cho việc phải bố chính nhiệt độ trở nên tào lao. Các con lắc chính xác được đặt trong các bể áp suất thấp, giữ cho áp suất không khí không đổi để ngăn biến động trong chu kỳ do thay đổi độ nổi của con lắc do thay đổi áp suất khí quyển. Đồng hồ quả lắc tốt nhất đạt được độ sai số khoảng một giây mỗi năm.
Độ chính xác về thời gian của con lắc bị vượt mặt bởi bộ dao động tinh thể thạch anh, được phát minh vào năm 1921 và đồng hồ thạch anh, được phát minh vào năm 1927, thay thế đồng hồ quả lắc và trở thành máy đo thời gian tốt nhất thế giới.[2] Đồng hồ quả lắc được sử dụng làm tiêu chuẩn tính giờ cho đến Thế chiến 2, mặc dù Dịch vụ thời gian của Pháp tiếp tục sử dụng chúng làm tiêu chuẩn thời gian chính thức cho đến năm 1954. Trong lực kế con lắc đã được thay thế bằng các trọng lực kế "rơi tự do" vào những năm 1950, nhưng các dụng cụ gồm con lắc vẫn tiếp tục được sử dụng vào những năm 1970.

Sử dụng để đo thời gian

Trong 300 năm, từ khi được phát hiện ra vào khoảng năm 1582 cho đến khi đồng hồ thạch anh được phát triển vào những năm 1930, con lắc là tiêu chuẩn đo thời gian chính xác nhất.[2][67] Ngoài con lắc đồng hồ, con lắc hai giây tự do được sử dụng rộng rãi như bộ định thời chính xác dùng trong các thí nghiệm khoa học ở thế kỷ XVII và XVIII. Con lắc đòi hỏi sự ổn định cơ học lớn: sự thay đổi chiều dài chỉ 0,02%, 0,2 mm trong con lắc đồng hồ quả lắc, sẽ gây ra sai số lên đến một phút mỗi tuần.[68]

Con lắc đồng hồ

Các con lắc trong đồng hồ (xem ví dụ ở bên phải) thường được làm bằng một quả nặng (b) được treo bằng một thanh làm từ gỗ hoặc kim loại  (a).  Để giảm sức cản không khí (là tác nhân chính làm hao tổn năng lượng trong đồng hồ chính xác) quả nặng theo truyền thống là một đĩa trơn có tiết diện hình thấu kính, mặc dù trong đồng hồ cổ, nó thường có chạm khắc hoặc trang trí đặc trưng cho loại đồng hồ. Trong các đồng hồ chất lượng, quả nặng được làm nặng nhất có thể, vì điều này giúp con lắc cải thiện khă năng tự hiệu chỉnh của đồng hồ. Trọng lượng phổ biến cho quả nặng con lắc hai giây là 15 pound (6,8 kg). Thay vì treo trên trục, con lắc đồng hồ thường được hỗ trợ bởi một lò xo thẳng ngắn (d) của ruy băng kim loại linh hoạt. Cơ cấu này tránh được ma sát và xoắn do trục quay và lực uốn nhẹ của lò xo chỉ làm tăng thêm lực phục hồi của con lắc chút ít. Đồng hồ có độ chính xác cao nhất sở hữu các lưỡi dao nằm trên các tấm làm từ đá mã não. Các xung để giữ cho con lắc dao động được cung cấp bởi một cánh tay treo sau con lắc gọi là cái nạng, (e), đầu của nó kết thúc bằng một cái nĩa, (f) có các ngạnh ôm lấy thanh lắc. Cái nạng được đẩy qua lại bởi bộ thoát đồng hồ, (g,h).
Mỗi khi con lắc dao động qua vị trí trung tâm của nó, nó sẽ nhả ra một chiếc răng của bánh xe thoát (g). Lực của lò xo dây cót đồng hồ hoặc tải trọng con lái treo trên ròng rọc, được truyền qua hệ thống bánh răng, khiến bánh xe quay và một chiếc răng ấn vào một trong những cái pallet (h), cung cấp cho con lắc một cú húc ngắn. Các bánh xe của đồng hồ, khớp với các bánh thoát, di chuyển về phía trước một lượng cố định với mỗi vòng lắc, đẩy các kim đồng hồ với tốc độ ổn định.
Con lắc luôn có một phương tiện điều chỉnh chu kỳ, thường là bằng một đai ốc điều chỉnh (c) nằm dưới quả nặng di chuyển nó lên hoặc xuống trên thanh. Di chuyển con lắc lên làm giảm chiều dài dây, khiến cho con lắc chạy nhanh hơn và đồng hồ thêm được thời gian. Một số đồng hồ chính xác có trọng lượng điều chỉnh phụ nhỏ trên trục ren trên quả nặng, để cho phép điều chỉnh tốt hơn. Một số đồng hồ tháp và đồng hồ chính xác sử dụng một khay được gắn gần điểm giữa của thanh con lắc, giúp ta có thể thêm hoặc loại bỏ quả nặng. Điều này có thể chuyển tâm dao động và cho phép điều chỉnh tốc độ mà không phải dừng đồng hồ.
Con lắc phải được treo trên một giá đỡ cứng chắc.[8][75] Trong quá trình vận hành, bất kỳ độ co giãn dù có nhỏ thế nào đi chăng nữa, vẫn sẽ gây ra nhiễu loạn trong chuyển động, làm xáo trộn sự đo thời gian của đồng hồ, dẫn đến các sai số. Đồng hồ quả lắc, do đó, nên được gắn chắc chắn vào một bức tường vững chắc.
Chiều dài con lắc phổ biến nhất trong đồng hồ chất lượng, luôn được sử dụng trong đồng hồ ông nội, là con lắc hai giây, dài khoảng 1 mét (39 inch). Trong đồng hồ đặt kệ, con lắc nửa giây, dài 25 cm (9,8 in) hoặc ngắn hơn, được sử dụng. Chỉ có một vài đồng hồ tháp lớn sử dụng con lắc dài hơn, con lắc 1,5 giây, dài 2,25 m (7,4 ft) hoặc đôi khi là con lắc hai giây, 4 m (13 ft),[8][76] được sử dụng trên Tháp đồng hồ của cung điện Westminster. [77]

Bố chính nhiệt độ

Nguồn sai số lớn nhất trong các con lắc sớm là những thay đổi nhỏ về chiều dài do sự giãn nở và sự co lại của thanh con lắc bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường. Điều này đã được phát hiện khi mọi người nhận thấy rằng đồng hồ quả lắc chạy chậm hơn vào mùa hè, khoảng một phút mỗi tuần (một trong những người đầu tiên phát hiện ra điều này là Godefroy Wendelin, được Huygens báo cáo vào năm 1658). Sự giãn nở nhiệt của thanh con lắc được nghiên cứu đầu tiên bởi Jean Picard vào năm 1669. Một con lắc có thanh thép sẽ mở rộng thêm khoảng 11,3 ppm với mỗi độ tăng Celsius, khiến nó mất khoảng 0,27 giây mỗi ngày cho mỗi độ tăng nhiệt độ Celsius, hoặc 9 giây mỗi ngày cho sự thay đổi 33°C (59°F). Thanh gỗ mở rộng ít hơn, chỉ mất khoảng 6 giây mỗi ngày cho sự thay đổi 33°C (59°F), đó là lý do tại sao đồng hồ chất lượng thường có thanh con lắc bằng gỗ. Gỗ phải được đánh vecni để ngăn hơi nước xâm nhập, vì sự thay đổi độ ẩm cũng sẽ ảnh hưởng đến chiều dài.

Con lắc thủy ngân

Thiết bị đầu tiên bù đắp cho lỗi này là con lắc thủy ngân, được phát minh bởi George Graham vào năm 1721. Thủy ngân kim loại lỏng giãn thể tích thuận với nhiệt độ. Trong một con lắc thủy ngân, quả nặng của con lắc là một vật chứa thủy ngân. Khi nhiệt độ tăng, thanh con lắc sẽ dài ra, nhưng thủy ngân cũng nở ra và mặt thoáng bề mặt của nó cũng dâng lên một chút trong vật chứa, di chuyển khối tâm của nó lại gần trục quay của con lắc. Bằng cách sử dụng một chiều cao chính xác của thủy ngân trong vật chứa, hai hiệu ứng này sẽ triệt tiêu lẫn nhau, khiến cho khối lượng của con lắc và chu kỳ của nó không thay đổi theo nhiệt độ. Nhược điểm chính của nó là khi nhiệt độ thay đổi, que sẽ nhanh chóng đạt đến nhiệt độ mới nhưng khối lượng thủy ngân có thể mất một hoặc hai ngày để đạt đến nhiệt độ mới, khiến độ chính xác bị lệch trong khoảng thời gian đó. Để cải thiện sự hiệu chỉnh nhiệt, một số chỗ chứa mỏng thường được sử dụng, làm bằng kim loại. Con lắc thủy ngân là tiêu chuẩn được sử dụng trong đồng hồ bỗ chính chính xác vào thế kỷ XX.

Con lắc Gridiron

Con lắc bố chính được sử dụng rộng rãi nhất là con lắc Gridiron, được phát minh vào năm 1726 bởi John Harrison. Nó bao gồm các thanh xen kẽ của hai kim loại khác nhau, một kim loại có độ giãn nở nhiệt thấp hơn (CTE), thép và một thanh có độ giãn nở nhiệt cao hơn, kẽm hoặc đồng thau. Các thanh được nối với nhau bằng một khung, như được thể hiện trong hình vẽ bên phải, do đó, việc tăng chiều dài của thanh kẽm sẽ đẩy quả nặng lên, rút ​​ngắn con lắc. Với sự gia tăng nhiệt độ, các thanh thép có độ giãn nở thấp làm cho con lắc dài hơn, trong khi các thanh kẽm có độ giãn nở cao làm cho nó ngắn hơn. Bằng cách tạo ra các thanh có độ dài chính xác, sự giãn nở lớn hơn của kẽm sẽ triệt tiêu sự giãn nở của các thanh thép có chiều dài kết hợp lớn hơn và con lắc giữ nguyên chiều dài với nhiệt độ.
Con lắc gridiron thép kẽm được chế tạo bằng 5 thanh, nhưng sự giãn nở nhiệt của đồng thau gần với thép hơn, do đó, con lắc loại này thường cần 9 thanh. Các con lắc Gridiron điều chỉnh theo sự thay đổi nhiệt độ nhanh hơn các con lắc thủy ngân, nhưng các nhà khoa học phát hiện ra rằng ma sát của các thanh trượt trong các lỗ của chúng trong khung khiến cho các con lắc Gridiron phải điều chỉnh trong một loạt các cú nhảy nhỏ. Trong các đồng hồ có độ chính xác cao, điều này khiến tốc độ của đồng hồ thay đổi đột ngột với mỗi lần nhảy. Sau đó người ta phát hiện ra rằng kẽm có thể bị biến dạng dẻo nguội. Vì những lý do này, con lắc thủy ngân đã được sử dụng trong đồng hồ có độ chính xác cao nhất, còn con lắc gridiron được sử dụng trong đồng hồ hiệu chỉnh chất lượng.
Con lắc gridiron trở nên gắn liền với chất lượng tốt đến mức, cho đến ngày nay, nhiều con lắc đồng hồ thông thường có gridiron 'giả' trang trí mà thực sự không có chức năng bù nhiệt độ.

Thạch anh Invar và hợp nhất

Khoảng năm 1900, các vật liệu giãn nở nhiệt thấp đã được phát triển có thể được sử dụng làm thanh lắc để tạo ra sự bù nhiệt độ phức tạp không cần thiết. [8][79] Chúng chỉ được sử dụng trong một vài đồng hồ có độ chính xác cao nhất trước khi con lắc trở nên lỗi thời như một tiêu chuẩn thời gian. Năm 1896 Charles Édouard Guillaume đã phát minh ra Invar, hợp kim thép niken. Chất này có CTE vào khoảng 0.5 µin/(in·°F), dẫn đến sai số nhiệt độ con lắc trên 71°F chỉ là 1,3 giây mỗi ngày và lỗi dư này có thể được bù thành 0 với vài cm nhôm dưới quả nặng[2][83] (minh họa trong hình ảnh đồng hồ Riefler ở trên). Con lắc Invar được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1898 trong đồng hồ hiệu chỉnh Riefler[85] đạt được độ chính xác 15 mili giây mỗi ngày. Lò xo treo của Elinvar đã được sử dụng để loại bỏ sự thay đổi nhiệt độ của lực phục hồi của lò xo trên con lắc. Thạch anh hợp nhất sau này được sử dụng có CTE thậm chí thấp hơn. Những vật liệu này là sự lựa chọn cho các con lắc có độ chính xác cao hiện đại.[86]