สรางลูกตุมฟูโกต์ - พิสูจน์การหมุนของโลก

ลูกตุมที่แกว่งอย่างอิสระจะรักษาระนาบของการแกว่งให้อยู่ในสถานที่คงที่ในอวกาศ นี่คือผลโดยตรงจากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน เมื่อลูกตุมถูกแขวนไว้เหนือพื้นผิวที่หมุน พื้นผิวจะหมุนใต้ลูกตุม ขณะที่ระนาบของการแกว่งยังคงอยู่ในสถานที่คงที่ จากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ที่ยืนอยู่บนโลกที่หมุน ทิศทางของการแกว่งของลูกตุมเหมือนจะหมุนช้าๆ ที่ขั้วโลกเหนือ ระนาบของลูกตุมดูเหมือนจะหมุน 360 องศาตามเข็มนาฬิกา ใน 23 ชั่วโมง 56 นาที ที่ละติจูดอื่นๆ อัตราการหมุนคือ 360 × sin(ละติจูด) องศาต่อวัน

ลูกตุมฟูโกต์ต้องการเชือกที่ยาวที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เสถียร ลูกตุมที่ยิ่งยาวเท่าไร ช่วงเวลาของการแกว่งก็จะยิ่งยาวขึ้น อัตราการสูญเสียพลังงานก็จะยิ่งช้าลง และการหมุนก็จะยิ่งมองเห็นได้ชัดเจน ความยาวต่ำสุดในทางปฏิบัติอยู่ที่ประมาณห้ามิเตอร์ สิบถึงยี่สิบเมตรนั้นดีขึ้นมาก หาจุดยึดที่สูง บ่อบันได ลำแสงห้องใต้หลังคา ลำแสงไร่นา ต้นไม้สูง หรือเพดานของอาคารหลายชั้น จุดยึดจะต้องแข็งแรงและนิ่งสนิท การสั่นสะเทือนใดๆ ของการสนับสนุนจะปกปิดการหมุนเล็กน้อยของฟูโกต์

หลักเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด ลูกตุมฟูโกต์จะต้องแกว่งอย่างอิสระในทุกทิศทาง ดังนั้นหลักจะต้องไม่จำกัดระนาบของการแกว่ง ข้อต่อสากลแบบง่าย หรือหลักจุดเดียวจะใช้ได้ดี หลักที่ง่ายที่สุดและมีประสิทธิภาพมากที่สุดคือลวดเหล็กบาง เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5-1 มม. ที่ยึดแน่นจากด้านบน ลวดบางไม่ได้ใช้ทิศทางที่ต้องการ และสามารถงอได้อย่างอิสระในทุกทิศทาง ลวดจะต้องยึดไว้ในวงเล็บแข็งที่ล็อกเข้ากับลำแสงเพดานที่แข็งแรง

น้ำหนักจะต้องหนักพอที่จะใช้ได้จริง ฟูโกต์ใช้ยี่สิบแปดกิลโลกรัม น้ำหนักที่หนักกว่าต้านทานแรงลากของอากาศได้ดีกว่า และแกว่งต่อไปได้นานขึ้น ใช้วัสดุที่มีความหนาแน่นสูง ตะกั่วหรือโลหะมิสระสัญญา ภาชนะที่บรรจุหลาย หรือกระป๋องโลหะที่บรรจุคอนกรีต น้ำหนักจะต้องสมดุลอย่างสมบูรณ์และสมมาตร คุณสามารถใช้สตีลบอลแทน หรือกระบอกสูบที่สมดุล ติดลวดให้กับศูนย์กลางด้านบนของน้ำหนัก

สำหรับเชือกของลูกตุม ใช้เชือกสตีลปีอาโนคุณภาพสูง หรือสายเคเบิลเหล็กบาง ลวดจะต้องแข็งแรงพอที่จะรองรับน้ำหนัก มีระยะขอบความปลอดภัยอย่างน้อยสิบเท่า นุ่มพอที่จะงอได้อย่างอิสระที่หลัก และแข็งพอที่ไม่หมุน สำหรับน้ำหนักห้าถึงสิบกิลโลกรัม เชือกปีอาโนขนาด 0.5-1 มม. ก็เพียงพอ ปลายด้านบนจะต้องยึดแน่นที่หลัก ติดปลายด้านล่างเข้ากับน้ำหนัก ใช้ตาสกรูเล็กน้อย หรือรูที่เจาะไว้ที่ด้านบนของน้ำหนัก จากนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าลวดห้อยลงเหมือนแนวตั้ง

ใต้ลูกตุม วางแหวนอ้างอิงวงกลมบนพื้นดินเพื่อระบุทิศทางของการแกว่งของลูกตุม แหวนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณหนึ่งถึงสองเมตรจะใช้ได้ดี ทำเครื่องหมายแหวนทุกๆ ห้าหรือสิบองศา (0-360) คุณสามารถใช้กระดาษขนาดใหญ่ หรือกระดาษแข็ง วงกลมที่วาดบนพื้นดิน หรือแหวนเครื่องหมายเล็กน้อย ศูนย์กลางของแหวนจะต้องอยู่ตรงใต้จุดหลัก ใช้เข็มทิศเพื่อทำเครื่องหมายทิศเหนือจริงบนแหวน

เทคนิคการเริ่มต้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง ลูกตุมจะต้องแกว่งในระนาบเดียว ไม่ใช่รูปวงรี การเคลื่อนที่ด้านข้างสร้างเส้นทางวงรีเพิ่มเติม และวงรีฟูโกต์ไม่เกี่ยวข้อง จึงเคลื่อนตัวไปต่างๆ ทำให้การวัดสับสน เพื่อเริ่มต้นอย่างสะอาด ใช้เชือกตึงที่ติดกับจุดคงที่เพื่อดึงน้ำหนักไปด้านข้าง ถือไว้จนกว่าการสั่นสะเทือนทั้งหมดจะหยุด จากนั้นจุดเชือกไฟด้วยไม้ขีดหรือเทียน (หรือตัดแบบเฉียบพลัน) สิ่งนี้ปล่อยน้ำหนักในการเคลื่อนไหวแบบบริสุทธิ์โดยไม่มีกำลังตามขวาง ฟูโกต์เองก็ใช้เทคนิคการเผาเชือกนี้ในเมืองปารีสปี 1851

หลังจากเริ่มต้น สังเกตทิศทางของการแกว่งเมื่อเทียบกับแหวนอ้างอิง บันทึกทิศทางของการแกว่งทุกสิบห้าถึงสามสิบนาที ที่ละติจูด 50 องศาเหนือ ระนาบของการแกว่งหมุนตามเข็มนาฬิกาประมาณ 11.5 องศาต่อชั่วโมง (360 × sin(50°) / 24 = 11.49 องศาต่อชั่วโมง) หลังจากหนึ่งชั่วโมง ทิศทางของการแกว่งควรเปลี่ยนไปประมาณสิบเอ็ดองศา หลังจากสามชั่วโมง ประมาณสามสิบสี่องศา การหมุนช้าและคงที่ สิ่งนี้แสดงอย่างชัดเจนว่าโลกกำลังหมุนอยู่ใต้ลูกตุม

หากลูกตุมวาดวงรีแทนเส้นตรง การเริ่มต้นก็ไม่บริสุทธิ์ ลองใหม่โดยใช้เทคนิคการเผาเชือก หากระนาบของการแกว่งหมุนเร็วกว่าหรือช้ากว่าที่คาดไว้ ให้ตรวจสอบสามสิ่ง ความไม่สมมาตรของน้ำหนัก การหมุน แรงเสียดทานหรือข้อจำกัดที่หลัก หรือการไหลของอากาศ ห้องที่มีลมหรือประตูเปิด ทำให้เกิดการหมุนที่ชัดเจนเร็วขึ้นมากกว่าเอฟเฟกต์ฟูโกต์ ป้องกันลูกตุมจากการไหลของอากาศ และตรวจสอบให้แน่ใจว่าหลักว่างไว้อย่างแท้จริง

อัตราการหมุนทางทฤษฎี องศาต่อชั่วโมง = 15 × sin(ละติจูด) บนเส้นศูนย์สูตร (0°) ลูกตุมจะไม่หมุนเลย ที่ละติจูด 30° จะหมุน 7.5°/ชั่วโมง ที่ 45° จะหมุน 10.6°/ชั่วโมง ที่ 90° (ขั้วโลก) จะหมุน 15°/ชั่วโมง (หนึ่งการหมุนเต็มต่อวัน) เปรียบเทียบอัตราการหมุนที่สังเกตได้กับอัตราที่คาดว่าจะได้สำหรับละติจูดของคุณ หากตรงกันในไม่กี่เปอร์เซ็นต์ คุณได้สาธิตสิ่งที่ฟูโกต์พิสูจน์ในปี 1851 อย่างสำเร็จ นี่เป็นการพิสูจน์ที่สวยงาม เรียบง่าย และตรงไปตรงมาที่สุดของการหมุนของโลก