Panas dan gravitasi: mengapa jam mengalami penyimpangan waktu.

Jam pendulum menunjukkan waktu yang tepat saat disetel. Lalu musim panas tiba, dan jam mulai terlambat. Musim dingin tiba, dan jam mulai lebih cepat. Tidak ada yang rusak; panjang batangnya berubah.

Sebagian besar benda padat memuai saat dipanaskan. Batang dengan panjang L menghangat sebesar ΔT dan bertambah panjang sebesar ΔL = α L ΔT, dengan α sebagai koefisien muai termal material. Karena periodenya bergantung pada √L, batang yang lebih panjang sebesar pecahan ΔL/L membuat jam berjalan lebih lambat sebesar setengah pecahan itu:

perubahan laju ≈ ½ α ΔT

Gunakan angkanya. Selama satu hari, dengan 86 400 s:

Jadi, jam dengan batang baja di ruangan yang 10 K lebih hangat pada musim panas daripada musim dingin akan terlambat sekitar 5 s lebih banyak setiap hari. Ini tampak kecil, tetapi jam presisi dinilai berdasarkan pecahan detik, sehingga pembuat jam yang serius tidak dapat menerimanya.

Kompensasi berarti membuat pendulum yang panjang efektif-nya tetap sama saat suhu berubah. Dua gagasan klasik:

• Pendulum merkuri (George Graham, sekitar 1721). Bebannya berupa wadah berisi merkuri. Saat batang baja memanjang dan menurunkan beban, merkuri juga memuai, dan permukaannya naik di dalam wadah, sehingga pusat berat naik. Jika ukurannya dipilih dengan tepat, kedua efek ini saling meniadakan.
• Pendulum gridiron (John Harrison, sekitar 1726). Batang dari dua logam, baja dan kuningan, disusun dalam sebuah rangka sehingga pemuaian beberapa batang menurunkan beban, sementara pemuaian batang lainnya menaikkannya. Kuningan memuai lebih banyak daripada baja, jadi diperlukan lebih sedikit atau lebih pendek batang untuk mendapatkan pembatalan yang sama.

Cara lain adalah mengganti materialnya. Pada 1896, fisikawan Swiss Charles-Édouard Guillaume menemukan Invar, paduan besi-nikel (sekitar 36 % nikel) yang hampir tidak memuai pada suhu ruangan. Batang yang terbuat dari material ini hanya membutuhkan sedikit atau bahkan tidak membutuhkan kompensasi. Guillaume menerima Hadiah Nobel Fisika tahun 1920 atas karyanya tentang paduan semacam itu. Batang Invar digunakan pada jam observatorium terbaik pada awal 1900-an, dan material yang sama masih digunakan dalam instrumen presisi saat ini.

Penyebab lain penyimpangan waktu adalah gravitasi itu sendiri. Pada 1671 hingga 1673, astronom Prancis Jean Richer membawa jam pendulum dari Paris ke Cayenne di Amerika Selatan, dekat khatulistiwa. Ia menemukan bahwa jam yang telah disesuaikan agar menunjukkan waktu dengan sempurna di Paris kehilangan beberapa menit setiap hari (menurut catatan, sekitar dua setengah menit). Panjang pendulum tidak cukup berubah untuk menjelaskan hal ini. Kesimpulannya, gravitasi sedikit lebih lemah di dekat khatulistiwa.

Sekarang kita tahu alasannya. Bumi berputar, sehingga menggembung di khatulistiwa: khatulistiwa sekitar 21 km lebih jauh dari pusat daripada kutub. Suatu titik di khatulistiwa berada lebih jauh dari pusat, sehingga gravitasi menarik sedikit lebih lemah, dan putaran juga sedikit melemparkan benda ke arah luar. Hasilnya adalah g ≈ 9,780 m/s² di khatulistiwa dan 9,832 m/s² di kutub. Perbedaan kecil itu mengubah laju jam pendulum sekitar 230 s per hari, yang merupakan efek sangat besar bagi alat pengukur waktu. Jam pendulum yang disesuaikan di London tidak akan menunjukkan waktu yang tepat di Quito, Ekuador, tanpa disesuaikan ulang.

Pengamatan Richer membantu menunjukkan bahwa Bumi bukanlah bola yang sempurna, dan gagasan yang sama tentang "g bergantung pada tempatmu berada" adalah alasan pengukuran pendulum digunakan untuk mempelajari bentuk planet kita.