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フーコーの振り子を構築する — 揺れる重りで地球の自転を証明する
翻訳済み
Astro

作成者

Astro

30. 5月 2026IS
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フーコーの振り子を構築する — 揺れる重りで地球の自転を証明する

1851年2月3日、フランスの物理学者レオン・フーコーはパリのパンテオン神殿のドーム下にある67メートルのワイヤーから28キログラムの真鍮球を吊り下げ、揺れさせました。時間が経つにつれて、振り子の振動面はゆっくり時計回りに回転しました。これは力が横方向に押しているのではなく、地球自体がその下で回転しているためです。振り子の振動面は空間内で固定されたままです(ニュートンの第1法則によると)が、床はその下で回転します。北極では、床は24時間で完全に360度回転します。低い緯度では、速度はより遅く、緯度のサインに比例します。フーコーの実証は、地球が回転していることの最初の直接的で視覚的な証拠でした。これは長い間理論的に受け入れられていましたが、実験室では観察されたことがありませんでした。この実験は大きな話題を呼びました:ナポレオン3世はパンテオン神殿での繰り返しを命じ、数ヶ月以内にフーコーの振り子はヨーロッパ中の公共の建物で揺れていました。このブループリントは、長いワイヤー上に重い球、低摩擦のピボット、目盛り付き参照リングを備えた機能的なフーコーの振り子を構築します。これは数時間にわたって地球の回転を実証することができます。

中級者
5~10時間

手順

1

フーコー振り子の原理を理解する

自由に振動する振り子は、その振動面を空間に保ちます。これはニュートンの運動の第1法則の結果です。振り子が回転する表面(地球)の上に吊り下げられている場合、表面は振り子の下で回転し、振動面は固定されたままです。回転する地球の上に立つ観察者にとって、振り子の振動方向がゆっくり回転しているように見えます。北極では、振り子の面は23時間56分(1つの恒星日)で360度時計回りに回転しているように見えます。他の緯度では、回転速度は360×sin(緯度)度/日です。
2

場所と固定点を選択する

フーコーの振り子は信頼できる結果を得るために最も長いワイヤーが必要です。振り子が長いほど、その振動周期は長く、エネルギー損失は遅く、回転は明確に見えます。最小限の実用的な長さは約5メートル。10~20メートルはより良いです。高い固定点を見つけてください:階段のシャフト、屋根裏のビーム、納屋のビーム、背の高い木、または複数階の建物の天井。固定点は完全に剛いものでなければなりません。サポートの揺れや振動があれば、フーコー回転の微妙さを圧倒します。
3

ピボットマウントを構築する

ピボットは最も重要なコンポーネントです。フーコーの振り子は任意の方向に自由に振動する必要があるため、ピボットは振動面を制限してはいけません。単純なユニバーサルジョイント(2つの垂直ヒンジ)または単一点ピボットはうまく機能します。最も単純で効果的なピボットは薄いスチールワイヤー(ピアノワイヤー、約0.5~1mm径)を上部にしっかり留めたものです。薄いワイヤーは優先面を導入せずに、すべての方向に自由に曲がります。ワイヤーは天井ビームにしっかりとボルト留めされた剛いブラケットに留められるべきです。
4

振り子の球を準備する

球は実用的な限り重い必要があります。フーコーは28kgを使用しました。より重い球は空気抵抗に正しく耐え、より長く振動します。密度の高い素材を使用してください:大きな鉛または真鍮の重り、砂で満たされたコンテナ、またはコンクリートで満たされた缶。球はワイヤーの軸に対して対称である必要があります。非対称性があると、振り子がフーコー回転を模倣または隠す方法で歳差運動を起こします。球または対称シリンダーが最適に機能します。ワイヤーを球の正確な上部中央に取り付けます。

このステップの材料:

Pendulum BobPendulum Bob1
5

ワイヤーを取り付ける

振り子ワイヤーにはスチールピアノワイヤーまたは薄いスチールケーブルを使用してください。ワイヤーは球の重量を大きなセーフティマージン(少なくとも10倍)で支える十分に強く、ピボットで自由に曲がるのに十分に薄く、ねじれないのに十分に硬い必要があります。5~10kg球の場合、0.5~1mm ピアノワイヤーで十分です。上端をピボットにしっかり留めます。下端を小さな目ボルトまたは球の上部を貫く穴を使用して球に取り付け、接続が完全に中央に配置され、ワイヤーが静止時に正確に垂直に懸垂されることを確認します。

このステップの材料:

CordageCordage5 メートル
6

参照リングを構築する

振り子の下の床に、振り子の振動方向を示す円形の参照リングを配置します。直径約1~2メートルのリングはうまく機能します。リングを5度または10度ごと(0~360)の度数目盛りでマークします。大きな紙またはボール紙、床に塗られた円、または小さなマーカーのリングを使用できます。リングの中心はピボットポイントの直下にある必要があります。コンパスを使用して、リングに真北をマークします。

このステップの材料:

Hardwood BlockHardwood Block1

必要な工具:

ProtractorProtractor
Measuring RulerMeasuring Ruler
7

振り子を正しく起動する

起動技術は重要です。振り子は1つの平面で振動する必要があり、楕円ではありません。横方向の動きにより、球は楕円パスを追跡し、楕円はフーコー効果とは独立して歳差運動し、測定を混乱させます。きちんと起動するには:固定点に結びついた緊張したロープを使用して、球を横に引っ張ります。すべての振動が停止するまでそれを保持してから、マッチまたはろうそくでロープを燃やします(または鋭く切ります)。これにより、横方向の力がなく球を解放します。フーコー自身がこのロープ燃焼技術を使用しました。
8

回転を観察して記録する

起動後、参照リングを基準に振動方向を観察します。15~30分ごとに振動方向を記録します。北緯50度では、振動平面は時計回りに約11.5度/時間回転します(360×sin(50°)/24 = 11.49度/時間)。1時間後、振動方向は約11度シフトしているはずです。3時間後、約34度です。回転は遅く安定しています。これは振り子の下で地球が回転しています。
9

一般的な問題のトラブルシューティング

振り子が直線ではなく楕円をトレースしている場合、起動は不純でした。ロープ燃焼技術で再度開始してください。振動平面が予想より大幅に速または遅い場合、球の非対称性(機械的歳差を引き起こす)、ピボットの摩擦または制約(優先振動面を強制する)、または気流(球を横に押す)をチェックします。ドラフティルームまたは開いたドアは、フーコー効果よりも見かけ上の回転をはるかに速く生成できます。振り子を気流から保護し、ピボットが実際に自由であることを確認します。
10

回転速度を計算して検証する

理論的回転速度:度/時間 = 15×sin(緯度)です。赤道(0°)では、振り子はまったく回転しません。30°緯度では、7.5°/時間で回転します。45°では、10.6°/時間で回転します。90°(極)では、15°/時間で回転します(恒星日あたり1回転)。観測された回転速度を、あなたの緯度の予想速度と比較してください。数パーセント以内で一致する場合、フーコーが1851年に証明したことを正常に実証しました。地球の回転の最もエレガントで直接的な証拠は、ワイヤー上の重りと、それを揺れるのを見る忍耐力以外は何も必要とし、決して考案されていません。

材料

3

必要な工具

2

接続ブループリントの材料

CC0 パブリックドメイン

このブループリントはCC0で公開されています。許可を求めずに、自由にコピー、修正、配布、あらゆる目的で使用できます。

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