音は350年前の時計の謎を説明できますか？

Christiaan Huygensは忙しい学者でした。 彼の多くの業績の中で、オランダの科学者は土星の環の形を理解し、惑星の最大の月であるタイタンを発見しました。 彼は光が波として伝わるという理論を確立し、振り子時計を発明しました。 ホイヘンスは、彼が天候下にあったとき、彼の科学的精神を消すことさえできなかったようです。

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1665年、彼は病気になり、ベッドで立ち往生し、家の梁に取り付けられた2つの振り子時計を見ました。 彼は、時計が異なる時間に開始または停止したかどうか、あるいは振り子の開始位置に関係なく、振り子が互いに適時に揺れ始めたことに気付きました。ホイヘンスは困惑しました。 クロックが互いに「スポーク」する何らかの方法が必要でしたが、クロック間の相互作用を測定するために必要な正確な機器がありませんでした。 そこで彼は、空気またはビーム内の物理的な接続によって伝達される神秘的な動きにそれをチョークで書き留めました。そこで、問題は300年以上も休みました。

現在、物理学者は17世紀の難問を再訪し、答えは音波にあるのではないかと考えています。 リスボン大学のHenrique OliveiraとLuísV. Meloは、ホイヘンスが観察した条件を再現し、非常に敏感な機器を使用して変数を測定しました。 科学レポートで今週公開された彼らの結果は、カチカチと音を立てる時計からの音エネルギーがそれらをつなぐ素材を通り抜けて、それらを同期させることを示唆しています。

以前は、他の科学者は、移動を許可されたビームを使用して実験で亀裂を取りました。 これらのモデルでは、クロックを同期させるエネルギーは、運動量の保存によるものです。 OliveiraとMeloは、Huygensが取り組んでいたモデルに似た別のモデルをテストしたかったのです。 また、以前の試みよりも正確であることを望んでいました。

彼らは最初にコンピューターを使用して時計をシミュレートしました。 それから、彼らは2本の振り子時計をアルミニウムの梁に取り付けました。 時計の刻みを設定し、高精度の光学センサーで振り子の揺れの周期を測定しました。 案の定、振り子は同期して動き始めます。 たとえ反対方向に動いても、同じ周期でスイングします。

「さまざまなビーム材料と条件を試してみましたが、[固定]ビームが非常に優れた音響導体で作られ、クロックが近く、周波数が十分に近かった場合にのみ結合を得ることができました」とMeloがメールで言います。

それで何が起きているのでしょうか？ それは振り子時計の仕組みに関係しています。 振り子が揺れ、その形状にちなんで名付けられたアンカーが、下向きの重りに取り付けられている歯車の歯を解放します。 歯車が解放されると、重りが歯車を下方向に引っ張って回転を開始しますが、振り子のアンカーが歯車の歯を再びキャッチします。 振り子が後ろに振れると、ギアが再び解放され、今度はアンカーが反対側をキャッチします。 その間、ギアの歯はアンカーの下をスライドし、それを押して振り子を揺らし続けるために少しナッジを追加します。 この設計には多くのバリエーションがありますが、それが基本原則です。

最新の実験では、このすべての動きにより、少量の音響エネルギーがアルミニウム棒に移動します。 エネルギーパルスが移動するたびに、1つの時計の振り子をもう一方の時計の振り子に合わせて押す傾向があります。 クロックの同期が遅いため、実験の実行には最大18時間または数日かかります。 メロは、ホイヘンスの時計には50ポンドまたは60ポンドの安定化重量がありましたが、彼の実験では1ポンド以下だったため、ホイヘンスの時計が送信する力が大きくなったと指摘しています。

それでも、理論的には自宅で同じ実験を実行できます。 「ビームに十分な音響導体を見つけることができれば…そしてあなたが非常に忍耐強いなら、結合の条件を得るでしょう」とMeloは言います。 「しかし、あなたは自動化された実験を実行する場合にのみ確実になります。数日間連続して見ることは不可能です。それは魅惑的ですが、しばらくすると非常に不安になります。」

オランダのアイントホーフェン工科大学の研究者であるJonatanPeñaRamirezは、ホイヘンスの時計現象の研究も発表しています。 彼は物理学者がこのシステムを研究することを好むと言うのは、それが自然界の他のサイクルを模倣しているからです。 「同様の現象は、人間の体内のいくつかのサイクルが自然に同期する可能性のある生物学的システムで観察することができます」と彼は言います。

しかし、彼はまだ音のエネルギーが時計の原因であると確信していません。 「時計の駆動機構を滑らかな機構、つまり時計に[離散]インパルスを適用しない機構に置き換えると、同期を観察できるようになります」と彼は言います。 彼に関する限り、「Huygensの同期は……解決にはほど遠い」。