А как сделать часы? Что принять за эталон равномерно протекающего изменения, вернее, какие факторы могут гарантировать равномерность? Если в качестве равномерного изменения рассмотреть равномерное перемещение (это ведь тоже изменение) чего-либо, то тут всё ясно: если все силы, действующие на движущееся тело, уравновешивают друг друга, и при этом данное тело движется, а не покоится, то такое движение является равномерным. В принципе, это вполне объективная оценка равномерности движения. Но равномерно-прямолинейное движение крайне неудобно использовать в качестве эталонного изменения (долго ли может хоть что-то двигаться прямолинейно?), в качестве эталона изменений удобнее всего использовать циклические изменения. Проще говоря, удобно использовать циклические колебания. Но что может служить «гарантом» равномерности колебаний? Напрашивается мысль, что здесь, как и при равномерно-прямолинейном движении, что-то должно уравновешивать друг друга. Ну, или в более общей формулировке, такие колебания должны определяться какими-то стабильными факторами.
Давайте рассмотрим колебания маятника, то есть, движение какого-то грузика, подвешенного на нити. Предположим, что всё идеально, то есть, нет никакого трения и сопротивления воздуха. Тогда колебания будут иметь постоянную амплитуду и период. А какие факторы гарантируют нам это? Есть ли здесь аналогия с равномерным прямолинейным движением, где «гарантом» равномерности является равновесие действующих на движущее тело сил? Да, такая аналогия есть, только со своими особенностями.
В момент, когда грузик маятника находится в крайней боковой точке, он обладает максимальной потенциальной энергией. Затем, как и положено, под действием гравитации он начинает падать вниз, но нить искривляет траекторию его движения, то есть, на грузик действуют несколько сил, причём, их величина и направление меняются. Долетел грузик до самой нижней точки, – и под действием разных (по величине и направлению) сил начал подниматься вверх, растрачивая накопленную кинетическую энергию. Где же здесь постоянство?
Дело в том, что силы, действующие на грузик, хоть и не уравновешены в каждый отдельно взятый момент, но под их воздействием кинетическая энергия грузика перетекает в такую же по величине потенциальную энергию и наоборот. То есть, силы, воздействующие на грузик, «консервируются» в энергии грузика, а затем снова «возрождаются» в прежнем виде. И так при каждом колебании. Здесь существует своеобразное динамическое равновесие сил. В этом сходство колебательного процесса с равномерно-прямолинейным движением тела. Только при равномерном движении действующие силы компенсируют друг друга статически, а при колебательном процессе динамически (с некоторой «отсрочкой»). Из курса физики мы знаем, что полная механическая энергия маятника (сумма кинетической и потенциальной энергий) в любой точке траектории его движения постоянна. А это и есть гарантия равномерности циклических колебаний.