Sarkaç
Eğer bir ağırlık serbestçe hareket edebilecek biçimde asılır ve sonra itilirse ileri-geri salınmaya başlar. Bu tür bir düzeneğe sarkaç denir. (Sarkacın eski adı olan “pandül” dilimize Fransızca’dan geçmiştir. Fransızca’da ve öbür Avrupa dillerindeki bu sözcük, “asmak” anlamındaki Latince perıdere sözcüğünden gelir.) 1583’te İtalyan bilim adamı Galileo Galilei, Pisa Katedrali’nde asılı bir lambanın bir tam salıntını her zaman aynı süre içinde yaptığını saptamıştı. Bu, sarkacın önemli bir özelliğidir ve bu özellikten saatlerin çalıştırılmasında yararlanılır. Aslında salınmaya başlayan bir cismin salınım süresi cismin havayla sürtünmesi nedeniyle giderek kısalır, ama bu etkinin üstesinden gelinebilirse salınım süresi hep aynı kalır. Galileo buluşunu, lambanın salınımını kendi nabzının atışıyla karşılaştırarak gerçekleştirmiş, daha sonra da başkalarının nabzını ölçmek için sarkaçtan yararlanmıştı (tıpkı doktor ya da hemşirelerin saatlerine bakarak nabız ölçmeleri gibi). Galileo’nun sarkaçla çalışan bir saat tasarımı da yapmış olduğu söylenir, ama bilinen ilk sarkaçlı saati 1656’da Hollandalı bilim adamı Christiaan Huygens gerçekleştirmiştir.
Basit bir sarkaç, ince bir iple asılmış ya da üstten bir muyluya (muylu, çevresinde cisimlerin serbestçe dönebileceği yatay eksen milidir) bağlı hafif bir çubuğa takılmış bir ağırlıktan oluşur (bu ağırlığa topuz da denir). Sarkacın asılı olduğu nokta ile ağırlığın (topuzun) merkezi arasındaki uzaklığa sarkaç uzunluğu denir; sarkaçların belirli bir yerdeki salınım süresini belirleyen tek etmen sarkaç uzunluğudur. Topuzun ağırlığı ya da yapıldığı maddenin türü salınım süresini etkilemez. Sarkaç ne kadar uzunsa, salınımı da o ölçüde yavaş olur; yani, sarkaç ne kadar uzunsa, bir tam salınım yapması için geçen süre de o kadar uzun olur. Sarkacın bir tam salınımı (ileri-geri hareketi) sırasında geçen süreye periyot denir. Herhangi bir sarkacın periyodu, uzunluğunun kareköküyle orantılıdır. Örneğin, 200 cm uzunluğundaki bir sarkaç, 50 cm uzunluğundaki sarkaca oranla iki kat daha uzun bir sürede salınır.
Sarkaçların salınım süresi Dünya’nın yüzeyinden yüksekliğine ve kutup noktalarına olan uzaklığına da bağlıdır. Dünya’nın yerçekimi kuvveti her yerde aynı olmadığından, aynı sarkaç alçak kesimlerde ya da kutuplara yakın bölgelerde, yüksek kesimlerde ya da ekvatora yakın bölgelerde olduğundan daha hızlı salınır.
Guguklu saatlerde genellikle basit bir sarkaç bulunur. Eğer bu saat ileri gidiyorsa, yani gereğinden daha hızlı çalışıyorsa, topuzu sarkaç kolu üzerinde biraz aşağı doğru kaydırarak, yani sarkaç uzunluğunu artırarak bu durum düzeltilebilir. Sarkaç kolu çelik çubuktan yapılmış saatler sıcak havalarda geri kalır; çünkü çelik çubuk ısındığında genleşerek uzar, bunun sonucunda sarkaç uzunluğu artar. (Sıcaklıktaki 5°C’lik bir artış bu tür bir saatin günde 2 Vs saniye geri kalmasına neden olur.) Bu nedenle saat sarkaçlarının sıcaklık oynamalarından etkilenmeyecek biçimde yapılması gerekir. Buna yönelik olarak geliştirilmiş olan yöntemlerden biri, sarkaç kolunun iç içe geçirilmiş, biri çelikten öbürü çinkodan yapılmış iki çubuktan hazırlanmasıdır; bu çubuklar öyle yerleştirilir ki, çelik olanı yukarı doğru uzarken çinko olanı eşit miktarda, ama aşağı doğru uzar.
Esnek bir ipin ya da sarmal bir yayın ucuna asılı bir ağırlık çekilip bırakılırsa, düzenli bir biçimde aşağı-yukarı doğru hareket eder. Buna benzer bir biçimde, ağır bir çarka dönmesini engelleyecek biçimde sarmal bir yay takılır ve çark, yayın kendi üzerine sarılmasını sağlayacak bir yönde iyice döndürüldükten sonra bir anda serbest bırakılırsa, çark çok düzenli bir tempoda bir sağa, bir sola hareket eder. Burulma sarkacı denilen bu tip sarkaç düzenekleri saatlerin balans çarkları ile zembereklerinde kullanılır.
Saatlerdeki eşapmanın denetiminde her türden sarkaç kullanılmıştır. Eşapman düzeneğinde sarkaca, sürtünmenin üstesinden gelmesine yetecek düzeyde hafif bir itme verilir; böylece sarkaç, eşapmana enerji sağlayan ağırlığın ya da yayın (zembereğin) kurgusu bitinceye kadar salınımlarını sürdürebilir. Buna dayalı olarak da 24 saat, bir hafta, bir ay, hatta bir yıl hiç durmadan işleyen saatler yapılabilir.
Sarkaç deyince aklımıza hemen saatler ya da zaman ölçümü gelir. Oysa, Foucault sarkacı denen bir başka sarkaç türü daha vardır. Bu sarkacın ne zaman ölçme işlevi vardır, ne de salınım hızı herhangi bir önem taşır. Foucault sarkacının en önemli özelliği, salınım yönü ya da salınım düzlemidir.
Foucault sarkacının adı, Fransız fizikçi ve astronom Jean Bernard Leon Foucault’dan gelir. Foucault bu tür bir sarkaçtan yararlanarak Dünya’nın döndüğünü kanıtlamıştı.
Foucault bunu, 1851 ilkbaharında Paris’te düzenlediği ve bütün dünyanın ilgisini çeken bir gösteride gerçekleştirdi. Pantheon’un kubbesine 67 metre uzunluğunda ve ucuna bağlı topuzu yaklaşık 28 kg çeken bir tel sarkaç astı. Zemine ise, asılı sarkacın tam altına gelecek biçimde, kuzey-güney ve doğubatı yönlerini gösteren büyük bir pusula kadranı yerleştirdi. Daha sonra sarkaç topuzunu kuzey-güney doğrultusunda iterek salındırmaya başladı. Bir ya da iki saat sonra sarkacın salınım doğrultusunun belirgin bir biçimde saat ibresinin dönme yönünde doğrultu değiştirdiği görüldü. Aslında yön değiştiren sarkaç değildi, o ilk doğrultusunda salınmaya devam ediyordu; ama Dünya kendi ekseni çevresinde döndüğünden, zemindeki kadranın yönü değişmişti. Pusulayla karşılaştırıldığında sarkacın hâlâ kuzey-güney doğrultusunda salınımda bulunduğu açıkça görülüyordu.
Sarkaç topuzu gibi asılı bir cisim bir kez salınıma geçirildikten sonra, başka bir kuvvetin etkisi altında kalmadığı sürece, Yer’in dönmesinden etkilenmeksizin hep aynı doğrultu ya da düzlem üzerinde salınımda bulunur. Bu, fiziğin temel yasalarından biridir. Sarkacın asıldığı noktadaki dönme salınım doğrultusunu etkilemez.
Foucault sarkacının görünürdeki dönme hızı, sarkacın bulunduğu konumun enlemine bağlıdır. Kutuplarda sarkacın salınım yönü her 24 saatte bir tam tur döner; ekvatorda ise hiç dönmez. Kuzey yarıkürede bu dönme saat ibresiyle aynı yönde, güney yarıkürede ise bunun tersi yönündedir.
