thumb|200px|Justus Sustermans – portret Galileo Galilei. Historia i zastosowania wahadła – ujęcie tematu wahadła z punktu widzenia jego historii i zastosowań.

Wahadło to ciało zawieszone w jednorodnym polu grawitacyjnym w taki sposób, że może wykonywać drgania wokół poziomej osi nie przechodzącej przez środek ciężkości zawieszonego ciała. W mechanice rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje wahadeł: matematyczne i fizyczne.

Ważną cechą wahadeł fizycznego i matematycznego jest niezależność ich okresu drgań od amplitudy, co jest dobrze spełnione, gdy maksymalny kąt odchylenia wahadeł od pionu jest mniejszy niż 0,1 radiana (ok. 6°)Dla amplitudy wahań równej 6° okres drgań wydłuża się o 0,07% w stosunku do okresu drgań przy bardzo małym wychyleniu, co jest znacznie poniżej możliwości eksperymentalnego zmierzenia w typowych układach eksperymentalnych.. Własność ta, zwana izochronizmem drgań wahadła, stanowi podstawę budowy zegarów wahadłowych od czasu, gdy około 1602 Galileo Galilei zbadał izochronizm wahadła i użył go do pomiaru czasu. Metoda ta była najdokładniejszą metodą pomiaru aż do lat 30. XX wieku.

Historia thumb|200px|Replika sejsmografu Zhang Henga. Wahadło jest w środku.

Sejsmograf Zhang Henga. Średniowiecze Jednym z pierwszych znanych zastosowań wahadła stanowi sejsmograf z 1-go stulecia w czasach panowania dynastii Dynastia Han wynaleziony przez chińskiego uczonego Zhang Henga (78–139 AD)Morton, W. Scott and Charlton M. Lewis (2005). China: Its History and Culture. New York: McGraw-Hill, Inc., p. 70.. W urządzeniu tym zastosował wahadło odwrócone: pobudzone przez trzęsienie ziemi, wahadło to uruchamiało system dźwigni, który wypuszczał małą kulkę z jednej z ośmiu smoczych paszcz w usta jednej z ośmiu metalowych ropuch; w ten sposób sejsmograf pokazywał kierunek z którego nadeszło trzęsienie ZiemiNeedham, Volume 3, 627-629..

Wiele źródeł twierdzi, że egipski astronom Ibn Yunus w X wieku użył wahadła do pomiaru czasu, jednak jest to błędna informacja podana w 1684 przez brytyjskiego historyka Edwarda Bernarda.

W okresie Renesansu duże wahadła były używane jako napęd maszyn tłokowych, takich jak piły, miechy i pompyMatthews, Michael R. (2000). Time for science education. Springer. p. 87. .. Leonardo da Vinci wykonał wiele rysunków takich wahadeł, jednak nie zdawał sobie sprawy z możliwości użycia ich do pomiaru czasu.

1602: Badania dokonane przez Galileo

Włoski uczony Galileo Galilei jako pierwszy prowadził badania własności wahadła. Było to od około 1602Drake, Stillman (2003). Galileo at Work: His scientific biography. USA: Courier Dover. pp. 20–21. .. Najstarsze świadectwo o tych badaniach jest zawarte w liście do Guido Ubaldo dal Monte z Padwy, datowane na 29 listopada 1602Galilei, Galileo (1890–1909; reprinted 1929–1939 and 1964–1966). Favaro, Antonio, ed. Le Opere di Galileo Galilei, Edizione Nazionale [The Works of Galileo Galilei, National Edition] (in Italian). Florence: Barbera. .. Vincenzo Viviani, biograf i student Galileusza, twierdził, że zainteresowanie Galileusza wahadłem zrodziło się około 1582, gdy widział w katedrze w Pizie wahający się żyrandolMurdin, Paul (2008). Full Meridian of Glory: Perilous Adventures in the Competition to Measure the Earth. Springer. p. 41. .La Lampada di Galileo, by Francesco Malaguzzi Valeri, for Archivio storico dell’arte, Volume 6 (1893); Editor, Domenico Gnoli; Publisher Danesi, Rome; Page 215-218.. Galileo odkrył kluczową własność wahadła, która sprawia, że jest ono tak użyteczne do pomiaru czasu, zwaną izochronizmem: okres drgań wahadła jest niezależny od amplitudy wahań. Galileusz odkrył także, że okres drgań nie zależy od masy ciężarka wahadła i że jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z długości wahadła. Jako pierwszy użył swobodnie drgającego wahadła do prostego pomiaru czasu. Będąc przyjacielem lekarza opracował urządzenie do pomiaru pulsu pacjentów za pomocą długości wahadła, tzw. pulsilogium W 1641 Galileo opracował projekt zegara wahadłowego którego wykonanie polecił swemu synowi Vincenzo. Vincenzo rozpoczął konstruowanie, ale nie skończył z powodu śmierci w 1649Drake 2003, p.419–420.. Wahadło było pierwszym oscylatorem harmonicznym użytym przez człowiekaVan Helden, Albert (1995). „Pendulum Clock”. The Galileo Project. Rice Univ. Retrieved 2009-02-25..

1656: Zegar wahadłowy W 1656 holenderski uczony Christiaan Huygens zbudował pierwszy zegar wahadłowyIstnieją także nieuzasadnione stwierdzenia o wcześniejszych zegarach wahadłowych wykonanych przez innych: Usher, Abbott Payson (1988). A History of Mechanical Inventions. Courier Dover. pp. 310–311. .. Było to wielkie ulepszenie w stosunku do istniejących zegarów mechanicznych, zwiększające dokładność pomiaru czasu z 15 minut na dobę do 15 sekundEidson, John C. (2006). Measurement, Control, and Communication using IEEE 1588. Burkhausen. p. 11. .. Wahadła rozprzestrzeniły się w Europie, gdyż istniejące zegary były w nie wyposażaneMilham 1945, p.145..

Angielski uczony Robert Hooke badał wahadło stożkowe około 1666, złożone z wahadła mogącego swobodnie wahać się w dwóch wymiarach oraz z ciężarka obracającego się po okręgu lub elipsieO’Connor, J.J.; E.F. Robertson (August 2002). „Robert Hooke”. Biographies, MacTutor History of Mathematics Archive. School of Mathematics and Statistics, Univ. of St. Andrews, Scotland. Retrieved2009-02-21.. Używał ruchu tego urządzenia jako modelu do analizy ruchów orbitalnych planetNauenberg, Michael (2006). „Robert Hooke’s seminal contribution to orbital dynamics”. Robert Hooke: Tercentennial Studies. Ashgate Publishing. s. 17–19. .. Hooke zasugerował Izaakowi Newtonowi w 1679, że ruch orbitalny składa się z ruchu bezwładnego wzdłuż stycznej do trajektorii oraz ruchu przyciągającego planetę w kierunku radialnym. Odegrało to istotną rolę w sformułowaniu przez Newtona uniwersalnego prawa grawitacjiNauenberg, Michael (2004). „Hooke and Newton: Divining Planetary Motions”. Physics Today 57 (2): 13.Bibcode:2004PhT....57b..13N.doi:10.1063/1.1688052. Retrieved 2007-05-30.The KGM Group, Inc. (2004). „Heliocentric Models”. Science Master. Retrieved 2007-05-30.. Robert Hooke także zasugerował około 1666, ze wahadło mogłoby być użyte do pomiru siły ciążenia.

Zobacz też przyrządy będące wahadłami wahadło balistyczne wahadło Oberbecka wahadło radiestezyjne wahadło rewersyjne wahadło Newtona wahadło zegarowe wahadła wahadło sferyczne wahadło sprężynowe wahadło stożkowe wahadło torsyjne

Uwagi

Przypisy

Bibliografia

Kategoria:Dynamika