นาฬิกาลูกตุ้มและหลักการทำงานของเพนดูลัม (pendulum)

          ในยุค ค.ศ. 2019 นี้มีสมาร์ทวอทช์ (Smartwatch) คอมพิวเตอร์ที่ไว้สวมข้อมือผลิตออกมามากมายหลายยี่ห้อจำนวนมาก นอกจากสมาร์ทวอทช์จะสามารถบอกเวลาได้แล้ว มันยังสามารถทำสิ่งต่างๆได้อย่างมากมายไม่ว่าจะเป็นบันทึกข้อมูลการออกกำลังกายต่างๆ อัตราการเต้นของหัวใจ มันทำสิ่งต่างๆได้คล้ายกับสมาร์ทโฟนมีแอปพลิเคชันต่างๆจำนวนมาก อุปกรณ์นี้ช่วยให้มนุษย์ทราบเวลา ซึ่งย้อนกลับไปในอดีตนั้นมนุษย์ประมาณเวลาคร่าวๆโดยสังเกตจากดวงอาทิตย์ บางอารยธรรมมีนาฬิกาแดด แต่มันก็ไม่ค่อยสะดวกมากนักเช่นในวันที่ท้องฟ้าปิดมีเมฆมาก


          ข้อมูลเรื่องเวลาเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการติดต่อทางธุรกิจหรือซื้อขายสินค้า ในสมัยก่อนนั้นมนุษย์ยังไม่มีนาฬิกาที่สามารถบอกเวลาได้อย่างแม่นยำและสามารถใช้งานได้อย่างสะดวก จนถึงเมื่อปี ค.ศ. 1656 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์นามว่าคริสตียาน เฮยเคินส์ (Christiaan Huygens มีชีวิตอยู่ระหว่างปี ค.ศ.1629-1695) ผู้มีผลงานทางด้านวิทยาศาสตร์มากมายไม่ว่าจะเป็นด้านกลศาสตร์ ดาราศาสตร์และทัศนศาสตร์ แต่ผลงานที่สำคัญของเขาคือการสร้างนาฬิกาลูกตุ้ม (pendulum clock) ซึ่งนิยมใช้กันมาเป็นเวลาถึงเกือบ 300 ปี ก่อนจะถูกแทนที่ด้วยนาฬิกาแบบอิเล็กทรอนิกส์


          นาฬิกาลูกตุ้มใช้เพนดูลัม ลูกตุ้มน้ำหนักที่แขวนไว้แกว่งไปมา เพราะนาฬิกาลูกตุ้มนี้มีคาบการเคลื่อนที่ค่อนข้างที่จะแม่นยำมาก มันจึงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้บอกเวลาที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ในศตวรรษที่ 18 และ 19 ที่ทำงาน โรงเรียน บ้านเรือน โรงงานและที่สำคัญสถานีรถไฟต่างใช้นาฬิกาลูกตุ้มนี้ มันช่วยให้ตารางการขนส่งโดยสาร ตารางการทำงานของทุกคนและสถานที่ต่างๆสอดคล้องกันซึ่งสำคัญมากในช่วยให้เกิดการปฏิวัติอุตสาหกรรมในประมาณช่วงปี ค.ศ. 1800 แต่เพราะเหตุใดนาฬิกาลูกตุ้มถึงสามารถบอกเวลาได้อย่างแม่นยำแม้ชิ้นส่วนการทำงานต่างๆจะเรียบง่ายไม่ซับซ้อน


          เหตุผลก็คือนาฬิกาลูกตุ้มนั้นถือเป็นเพนดูลัมอย่างง่ายโดยมีการเคลื่อนที่แบบเป็นคาบ โดยมีวัตถุมวล m ถูกแขวนไว้โดยเราสมมติว่ามันอาจจะเป็นเชือกมวลเบาความยาว L โดยถูกตรึงไว้ที่ปลายด้านบน โดยเพนดูลัมจะเคลื่อนที่กลับเป็นกลับมาจากแรงโน้มถ่วงของโลก โดยเพนดูลัมจะมีคาบที่ค่อนข้างคงที่อย่างแม่นยำถ้าเพนดูลัมนั้นเคลื่อนที่ด้วยมุมที่ไม่มากนักคือประมาณไม่เกิน 10 องศา หรือ 0.2 เรเดียน (หน่วยวัดมุม 1 เรเดียน หมายถึงมุมที่ศูนย์กลางของวงกลมซึ่งรองรับส่วนโค้งของวงกลมที่มีความยาวเท่ากับรัศมีของวงกลมนั้น ใช้ตัวย่อว่า rad.)

 

          (3) คือสมการคาบของนาฬิกาลูกตุ้ม จะสังเกตได้ว่ามันขึ้นอยู่กับแค่ 2 ตัวแปรคือ ความยาวของเชือกมวลเบา (หรือสิ่งอื่นๆที่ใช้ทำในนาฬิกาลูกตุ้ม) และความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงของโลก ดังนั้นนาฬิกาลูกตุ้มที่ใช้ความยาว L เท่ากันและอยู่ในสถานที่เดียวกัน (ทำให้ค่า g มีค่าเดียวกัน) นาฬิกาแต่ละเรือนก็จะให้คาบเดียวกันและนี่เองที่ทำให้นาฬิกาลูกตุ้มสามารถรักษาเวลาได้อย่างแม่นยำนิยมใช้กันมาเกือบ 300 ปี


          นอกจากนี้มันยังนำไปใช้เป็นอุปกรณ์เพื่อหาค่า g ตามบริเวณที่ต่างๆของโลก เพราะแต่ละแห่งก็อาจจะมีค่า g  ที่ไม่เท่ากัน และค่า g ในแต่ละแห่งนี้บางทีมันก็สามารถช่วยบอกข้อมูลว่าพื้นที่นี้มีน้ำมันหรือทรัพยากรที่มีค่าอื่นๆที่ซ่อนอยู่บริเวณใต้ดินหรือไม่


          แม้ปัจจุบันคนจะนิยมไปใช้สมาร์ทวอทช์กันมาก ส่วนนาฬิกาแบบลูกตุ้มนั้นอาจจะกลายเป็นของสะสมหรือไม่ค่อยนิยมใช้บอกเวลากันแบบในอดีตแล้ว แต่ครั้งหนึ่งอุปกรณ์ที่ไม่ซับซ้อนนี้เป็นหนึ่งในเหตุผลที่ทำให้มนุษย์ทราบเวลาอย่างแม่นยำสามารถดำเนินธุรกิจ ติดต่อสื่อสาร คมนาคมขนส่งได้อย่างมีประสิทธิภาพ เกิดโลกสมัยใหม่และการปฏิวัติอุตสาหกรรมซึ่งส่งผลสืบเนื่องทำให้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีพัฒนาขึ้นมากจวบจนถึงปัจจุบันและอนาคตต่อไป

• Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2019). Physics for scientists and engineers. Australia ; Brazil ; Mexico ; Singapore ; United Kingdom ; United States: Cengage.
• clock.  (2015). Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite.  Chicago: Encyclopædia Britannica.
• "Pendulum." Microsoft® Student 2009 [DVD]. Redmond, WA: Microsoft Corporation, 2008.
• Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. All rights reserved.