بناء بندول فوكو — إثبات دوران الأرض برقلة مرجحة

في 3 فبراير 1851، علق ليون فوكو وزنة نحاسية تزن 28 كيلوجراماً من سلك يبلغ طوله 67 متراً تحت قبة البانثيون في باريس وجعلها تتأرجح. على مدار ساعات، دوّرت مستوى تأرجح البندول ببطء في اتجاه عقارب الساعة - ليس لأن أي قوة كانت تدفعها جانباً، بل لأن الأرض نفسها كانت تدور تحتها. يبقى مستوى تذبذب البندول ثابتاً في الفضاء (وفقاً للقانون الأول لنيوتن)، بينما الأرض تدور تحتها. عند القطب الشمالي، ستكمل الأرض دورة كاملة بزاوية 360 درجة في 24 ساعة؛ في خطوط العرض المنخفضة، المعدل أبطأ، يتناسب مع جيب خط العرض. كان عرض فوكو أول إثبات مباشر وبصري لأن الأرض تدور - شيء طال قبوله نظرياً لكن لم يلاحظ مطلقاً في المختبر. أحدث التجربة إحساساً: أمر نابليون الثالث بإعادتها في البانثيون، وفي غضون أشهر كانت بندولات فوكو تتأرجح في المباني العامة في جميع أنحاء أوروبا. يبني هذا المخطط بندول فوكو فعالاً مع وزن ثقيل على سلك طويل ومحور منخفض الاحتكاك وحلقة مرجعية مدرجة، قادر على إثبات دوران الأرض على مدار عدة ساعات.

متوسط

5-10 ساعات

التعليمات

فهم مبدأ بندول فوكو

البندول الذي يتأرجح بحرية يحافظ على مستوى تذبذبه في الفضاء - وهذا نتيجة لقانون نيوتن الأول للحركة. إذا تم تعليق البندول فوق سطح دوّار (الأرض)، يدور السطح تحت البندول بينما يبقى مستوى التأرجح ثابتاً. بالنسبة لمراقب يقف على الأرض الدوّارة، يبدو أن اتجاه تأرجح البندول يدور ببطء. عند القطب الشمالي، يبدو أن مستوى البندول يدور 360 درجة في اتجاه عقارب الساعة في 23 ساعة و56 دقيقة (يوم فلكي واحد). عند خطوط عرض أخرى، معدل الدوران هو 360 × جيب(خط العرض) درجة في اليوم.

اختر موقع نقطة التثبيت

يتطلب بندول فوكو أطول سلك ممكن للحصول على نتائج موثوقة - كلما زال طول البندول، زالت فترة التأرجح، وزال فقدان الطاقة بشكل أبطأ، وأصبحت الدوران أكثر وضوحاً. الحد الأدنى للطول العملي هو حوالي 5 أمتار؛ 10-20 متراً أفضل بكثير. ابحث عن نقطة تثبيت عالية: دردشة درج، حزم العلية، عارضة حظيرة، شجرة طويلة، أو سقف مبنى متعدد الطوابق. يجب أن تكون نقطة التثبيت صلبة تماماً - أي تأرجح أو اهتزاز في الدعم سيطغى على دوران فوكو الدقيق.

بناء جبل المحور

المحور هو المكون الأكثر أهمية. يجب أن يتأرجح بندول فوكو بحرية في أي اتجاه، لذا يجب ألا يقيد المحور مستوى التأرجح. يعمل المفصل الكروي البسيط (مفصلتان متعامدتان) أو محور نقطة واحدة بشكل جيد. أبسط محور فعال هو سلك فولاذي رقيق (سلك بيانو، حوالي 0.5-1 ملم قطر) مشبك بقوة في الأعلى - يثني السلك الرقيق بحرية في جميع الاتجاهات دون إدخال مستوى مفضل. يجب تثبيت السلك في قوس صلب ملولب بشكل كامل على شعاع السقف.

تحضير وزن البندول

يجب أن يكون الوزن ثقيلاً قدر الإمكان - استخدم فوكو 28 كجم. يقاوم الوزن الأثقل مقاومة الهواء بشكل أفضل ويتأرجح لفترة أطول. استخدم مادة كثيفة: وزن رصاص أو نحاس كبير، أو حاوية مملوءة بالرمل، أو علبة مملوءة بالخرسانة. يجب أن يكون الوزن متماثلاً حول محور السلك - أي عدم تماثل يسبب البندول للدوران بطرق تحاكي أو تخفي دوران فوكو. تعمل الكرة أو الأسطوانة المتماثلة بشكل أفضل. قم بإرفاق السلك بالمركز العلوي بالضبط للوزن.

المواد لهذه الخطوة:

ثقل البندول1 قطعة

ربط السلك

استخدم سلك بيانو فولاذي أو كابل فولاذي رقيق لسلك البندول. يجب أن يكون السلك قوياً بما يكفي لدعم وزن الوزن مع هامش أمان كبير (على الأقل 10x)، رقيق بما يكفي للانحناء بحرية عند المحور، وصلب بما يكفي لعدم الالتواء. لوزن 5-10 كجم، سلك بيانو 0.5-1 ملم كافٍ. شد النهاية العليا بشكل آمن عند المحور. قم بإرفاق النهاية السفلية بالوزن باستخدام مسمار عيني صغير أو حفرة مثقوبة عبر أعلى الوزن، مما يضمن أن التوصيل متمركز تماماً والسلك يتدلى عموديًا عند الراحة.

المواد لهذه الخطوة:

حبال5 أمتار

بناء الحلقة المرجعية

على الأرض تحت البندول، ضع حلقة مرجعية دائرية توضح اتجاه تأرجح البندول. تعمل حلقة بقطر حوالي 1-2 متر بشكل جيد. حدد الحلقة بتخرجات درجة كل 5 أو 10 درجات (0-360). يمكنك استخدام ورقة كبيرة من الورق أو البطاقة، أو دائرة مطلية على الأرض، أو حلقة من العلامات الصغيرة. يجب أن يكون مركز الحلقة مباشرة تحت نقطة المحور. قم بوضع علامة على الشمال الحقيقي على الحلقة باستخدام البوصلة.

المواد لهذه الخطوة:

كتلة خشب صلب1 قطعة

الأدوات المطلوبة:

منقلة / مقياس زوايا

مسطرة قياس

إطلاق البندول بشكل صحيح

تقنية الإطلاق حاسمة - يجب أن يتأرجح البندول في مستوى واحد، وليس في شكل بيضاوي. أي حركة جانبية تسبب الوزن لتتبع مسار بيضاوي، والقطع الناقص يسبق بشكل مستقل عن تأثير فوكو، مما يرتبك القياس. لتطلق بنظافة: اسحب الوزن إلى أحد الجانبين باستخدام حبل مشدود مرتبط بنقطة ثابتة، احبسه حتى توقف كل تأرجح، ثم احرق السلك بعود ثقاب أو شمعة (أو قطعها بشدة). هذا يحرر الوزن دون أي دفع جانبي. استخدم فوكو نفسه هذه تقنية حرق الحبل.

مراقبة وتسجيل الدوران

بعد الإطلاق، لاحظ اتجاه التأرجح بالنسبة للحلقة المرجعية. سجل اتجاه التأرجح كل 15-30 دقيقة. في خط عرض 50 درجة شمالاً، يدور مستوى التأرجح حوالي 11.5 درجة في الساعة في اتجاه عقارب الساعة (360 × الخطيئة (50 °) / 24 = 11.49 درجة في الساعة). بعد ساعة واحدة، يجب أن يكون اتجاه التأرجح قد تحول بحوالي 11 درجة؛ بعد ثلاث ساعات، حوالي 34 درجة. الدوران بطيء وثابت - وهذا الأرض تدور تحت البندول.

استكشاف المشاكل الشائعة

إذا تتبع البندول شكلاً بيضاوياً بدلاً من خط مستقيم، كان الإطلاق غير خالص - أعد البدء بتقنية حرق الحبل. إذا دار مستوى التأرجح بسرعة أكثر أو أبطأ بكثير من المتوقع، تحقق من عدم التماثل في الوزن (مما يسبب الدوران الميكانيكي)، الاحتكاك أو القيد عند المحور (الذي يفرض مستوى تأرجح مفضل)، أو التيارات الهوائية (التي تدفع الوزن جانباً). غرفة مسودة أو باب مفتوح يمكن أن ينتج دوران واضح أسرع بكثير من تأثير فوكو. حماية البندول من التيارات الهوائية والتأكد من أن المحور حقاً مجاني.

حساب والتحقق من معدل الدوران

معدل الدوران النظري هو: درجة في الساعة = 15 × جيب (خط العرض). عند خط الاستواء (0 درجة)، لا يدور البندول على الإطلاق. في 30 درجة عرض، يدور 7.5 درجة / ساعة. في 45 درجة، يدور 10.6 درجة / ساعة. في 90 درجة (القطب)، يدور 15 درجة / ساعة (دوران واحد كامل في اليوم الفلكي). قارن معدل الدوران الملاحظ بالمعدل المتوقع لخط عرضك. إذا تطابقا ضمن بضعة في المئة، فقد نجحت في إثبات ما أثبته فوكو في 1851 - أناقة وأبسط إثبات لدوران الأرض على الإطلاق، لا يتطلب سوى وزن على سلك والصبر على مراقبته يتأرجح.