La fisica del perché il primo orologio in America fallì

Dec 05, 2023

Per quasi tre secoli interi, il modo più accurato con cui l’umanità ha tenuto traccia del tempo è stato attraverso l’orologio a pendolo. Dal suo sviluppo iniziale nel XVII secolo fino all'invenzione degli orologi al quarzo negli anni '20, gli orologi a pendolo sono diventati elementi fondamentali della vita domestica, consentendo alle persone di organizzare i propri orari secondo uno standard universalmente concordato. Inizialmente inventati nei Paesi Bassi da Christian Huygens nel lontano 1656, i loro primi progetti furono rapidamente perfezionati per aumentarne notevolmente la precisione, tanto che divenne presto una routine per gli orologi a pendolo mantenere il tempo con precisione entro una tolleranza di soli ~ 2 secondi al giorno. .

Ma quando il primo orologio a pendolo fu portato nelle Americhe, accadde qualcosa di bizzarro. L'orologio, che aveva funzionato perfettamente nel mantenere l'ora precisa in Europa, era inizialmente sincronizzato con fenomeni astronomici conosciuti, come il tramonto/alba e il tramonto/sorgere della luna. Ma dopo solo una o due settimane nelle Americhe, era chiaro che l’orologio non teneva il tempo correttamente. Il primo orologio in America fu un completo fallimento, ma questo è solo l'inizio di una storia che avrebbe rivoluzionato la nostra comprensione della fisica e della gravitazione sul pianeta Terra.

Per migliaia di anni, gli scienziati non hanno avuto un metodo migliore per tenere il tempo rispetto all’antica meridiana. Ma a partire dagli inizi del 1600, le indagini scientifiche sul pendolo oscillante – e, in particolare, l’osservazione di Galileo secondo cui il periodo di un pendolo era determinato esclusivamente dalla sua lunghezza – portarono all’idea che un pendolo potesse teoricamente essere usato come un orologio. Non dipenderebbe dallo spessore del pendolo stesso, dalla massa del peso all'estremità o dall'angolo al quale il pendolo è stato sollevato; solo la lunghezza del pendolo contava per il suo periodo. Galileo discusse l'idea nel 1637 e, sebbene morì nel 1642, l'idea non solo sarebbe sopravvissuta, ma avrebbe influenzato una generazione di scienziati appena entrata nel mondo.

Nel 1656, lavorando nei Paesi Bassi, Christiaan Huygens inventò il primo orologio a pendolo funzionante, che era allo stesso tempo primitivo e rivoluzionario in molti modi. Nel corso dei decenni successivi furono apportati perfezionamenti che migliorarono ulteriormente l'orologio a pendolo, tra cui:

Tutte queste innovazioni erano state apportate prima del 1700: un insieme notevole di progressi in un breve lasso di tempo. La più grande “fonte di errore” che si verificava con questi orologi a pendolo era dovuta ai cambiamenti di temperatura: la lunghezza del pendolo aumentava o diminuiva man mano che i materiali di cui erano costituiti si espandevano o si contraevano termicamente in modo dipendente dalla temperatura. Sviluppando un pendolo con compensazione della temperatura, in cui il periodo di oscillazione non cambiava nemmeno con la temperatura, gli orologi a pendolo potevano essere precisi con un margine di errore di pochi secondi a settimana. Il primo orologio costruito in America non sarebbe stato realizzato prima di molti decenni dopo quell'avanzamento, quindi i primi tentativi di tenere il tempo nelle Americhe si sarebbero basati su dispositivi importati dall'Europa.

È qui che è nato il grande enigma della misurazione del tempo: quando il primo orologio a pendolo fu portato dall'Europa all'America. L'orologio, costruito e calibrato nei Paesi Bassi, era estremamente preciso. Gli orari di tramonto/alba e tramonto/alba della luna erano accurati per settimane, con le stelle che sorgevano e tramontavano entro un minuto dall'orario previsto senza alcuna necessità di ulteriore calibrazione fino a quando era trascorso circa un mese intero.

Ma una volta arrivato in America, l’orologio fu caricato, cominciò a ticchettare e in brevissimo tempo tutto cominciò ad andare storto.

Nel giro di una sola settimana, le persone notarono che il Sole e la Luna non stavano sorgendo o tramontando nei tempi previsti, secondo questo nuovo orologio. Inoltre, la discrepanza peggiorava ogni giorno che passava. Mentre all’epoca si supponeva che l’orologio fosse preciso entro circa 2 secondi al giorno, o circa 15 secondi alla settimana, si osservò che funzionava più lentamente di oltre 30 secondi al giorno. Alla fine della prima settimana, si era spento di circa 4-5 minuti, un errore tristemente inaccettabile.