Foucault Sarkacı Yapın — Dünya'nın Dönüşünü Kanıtlayın

Serbestçe salınan bir sarkaç, salınım düzlemini uzayda sabit tutar. Bu, Newton'un hareket yasasının ilk yasasının doğrudan bir sonucudur. Bir sarkaç dönen bir yüzey üzerine (Dünya) asıldığında, yüzey sarkaçın altında dönerken, salınım düzlemi sabit kalır. Dönen Dünya'da ayakta duran bir gözlemcinin perspektifinden, sarkaçın salınım yönü yavaş yavaş dönüyor gibi görünür. Kuzey Kutbu'nda, sarkaçın düzlemi 23 saat 56 dakika (bir yıldız günü) içinde saat yönünde 360 derece dönüyor gibi görünür. Diğer enlemlerde, dönüş hızı 360 × sin(enlem) derece/gün'dür.

Foucault sarkacı stabil sonuçlar için mümkün olduğu kadar uzun bir ip gerektirir. Sarkaç ne kadar uzun olursa, salınım periyodu o kadar uzun, enerji kaybı o kadar yavaş ve dönüş o kadar görülebilir. Minimum pratik uzunluk yaklaşık beş metredir. On ile yirmi metre çok daha iyidir. Yüksek bir sabitlenmesi noktası arayın: merdiven kuyusu, çatı kirişi, ahır kirişi, yüksek ağaç veya çok katlı bir binaya tavan. Sabitlenmesi noktası tamamen sert ve hareketsiz olmalıdır. Desteğin herhangi bir titremesi veya hareketi Foucault'un incelikli dönüşünü tamamen maskeleyecektir.

Pivot en kritik bileşendir. Foucault sarkacı tüm yönlerde serbestçe salınmalıdır, bu nedenle pivot salınım düzlemini sınırlamamalıdır. Basit bir evrensel bağlantı (iki dikey menteşe) veya tek nokta pivot iyi çalışır. En basit ve etkili pivot, üstten sıkıca sabitlenmiş ince çelik tel (piyano teli, yaklaşık 0.5-1 mm çap) dir. İnce tel tercih edilen bir yön sunmaz ve tüm yönlerde serbestçe bükülebilir. Tel, sağlam tavana kaynaklanmış sert bir braket içine sabitlenmiş olmalıdır.

Ağırlık, pratik kullanım için yeterince ağır olmalıdır. Foucault yirmi sekiz kilogram kullandı. Daha ağır ağırlıklar hava sürüklemesine daha iyi direnir ve daha uzun süre salınır. Yüksek yoğunluklu malzeme kullanın: büyük kurşun veya pirinç ağırlıklar, kumla dolu kap veya betonla dolu metal kutu. Ağırlık, telin ekseni hakkında tamamen dengelenmiş ve simetrik olmalıdır. Herhangi bir asimetri, sarkaçın sallanmasına veya zorlanmış presisyona neden olacaktır. Küre veya tamamen dengeli silindir en iyi şekilde çalışır. Teli ağırlığın kesin üst merkezine takın.

Sarkaç ipi için yüksek kaliteli çelik piyano teli veya ince çelik kablo kullanın. Tel, büyük bir güvenlik marjı (en az on kat) ile ağırlığı desteklemek için yeterince güçlü, pivot'ta serbestçe bükmek için yeterince ince ve bükülmemek için yeterince sert olmalıdır. Beş ile on kilogram ağırlık için 0.5-1 mm piyano teli yeterlidir. Üst uç pivot'ta sıkıca sabitlenmelidir. Alt ucu ağırlığa takın, küçük bir göz vidası veya ağırlığın üstüne delinmiş bir delik kullanarak, bağlantının tamamen merkezileştirildiğinden ve tel hareketsiz haldeyken tamamen dikey sarktığından emin olun.

Sarkacın altında, sarkaçın salınım yönünü belirtmek için zemine dairesel bir referans halkası yerleştirin. Yaklaşık bir ile iki metre çapında bir halka iyi çalışır. Halkayı her beş veya on derece (0-360) işaretleyin. Büyük kağıt veya karton, zemine çizilmiş bir daire veya küçük işaretlerden oluşan bir halka kullanabilirsiniz. Halkanın merkezi pivot noktasının doğrudan altında olmalıdır. Halkada gerçek kuzeyini işaretlemek için bir pusula kullanın.

Başlangıç tekniği kritiktir. Sarkaç bir düzlemde salınmalı, eliptik değil. Yanal hareket, ek eliptik bir yol oluşturur ve elips Foucault etkisiyle ilgisiz olduğundan, farklı şekilde hareket eder ve ölçümü karıştırır. Temiz bir başlangıç için sabit bir noktaya bağlı sıkı bir halat kullanarak ağırlığı yana çekin, tüm titreme duruncaya kadar tutun, ardından bir eşya veya mum ile halat yakın (veya keskin bir şekilde kesin). Bu, ağırlığı enine kuvvetler olmaksızın saf harekette serbest bırakır. Foucault'un kendisi 1851'de Paris'te bu halat yakma tekniğini kullandı.

Başlangıçtan sonra, referans halkasına göre salınım yönünü gözlemleyin. Salınım yönünü her on beş ile otuz dakikada bir kaydedin. Kuzey enleminin elli derecesinde, salınım düzlemi saat yönünde saniyede yaklaşık 11.5 derece döner (360 × sin(50°) / 24 = 11.49 derece/saat). Bir saat sonra, salınım yönü yaklaşık on bir derece kaymalıdır. Üç saat sonra, yaklaşık otuz dört derece. Dönüş yavaş ve sabit. Bu, Dünya'nın sarkacın altında döndüğünü açıkça gösteriyor.

Sarkaç düz bir çizgi yerine elips çizerse, başlangıç bulanık idi. Halat yakma tekniğini kullanarak yeniden deneyin. Salınım düzlemi beklenenden çok daha hızlı veya yavaş dönerse, üç şey kontrol edin: ağırlığın asimetrisi (mekanik presisyon nedeniyle), pivot'ta sürtünme veya kısıtlama (tercih edilen salınım yönünü zorla) veya hava akışı (ağırlığı yana itin). Taslak bir oda veya açık kapı, Foucault etkisinden çok daha hızlı belirgin dönüş yaratır. Sarkacı hava akışından koruyun ve pivot'un gerçekten serbest olduğundan emin olun.

Teorik dönüş hızı: derece/saat = 15 × sin(enlem). Ekvator (0°) 'de sarkaç hiç dönmez. 30° enleminde saatte 7.5° döner. 45°'de saatte 10.6° döner. 90°'de (kutup) saatte 15° döner (bir yıldız günü tam bir dönüş). Gözlenen dönüş hızını enleminizdeki beklenen hızla karşılaştırın. Birkaç yüzde içinde eşleşirse, 1851'de Foucault'un kanıtladığını başarıyla göstermiş olursunuz. Bu, Dünya'nın dönüşünün en zarif, en basit ve en doğrudan kanıtıdır; telle ağırlık ve onu dönerken gözlemlemek için sabırlı olmaktan başka bir şey gerektirmez.