Побудуйте маятник Фуко — доведіть обертання Землі

Маятник, який коливається вільно, утримує свою площину коливання нерухомою в просторі. Це прямий результат першого закону руху Ньютона. Коли маятник підвішений над обертаючою поверхнею (Земля), поверхня обертається під маятником, а площина коливання залишається нерухомою. З точки зору спостерігача, який стоїть на обертаючій Землі, напрямок коливання маятника здається повільно обертається. На Північному полюсі площина маятника здається обертається на 360 градусів за годинниковою стрілкою протягом 23 годин 56 хвилин (один зоряний день). На інших широтах швидкість обертання становить 360 × sin(широта) градусів на день.

Маятник Фуко вимагає якомога довшу мотузку для стабільних результатів. Чим довший маятник, тим більший період коливання, тим повільніше втрачається енергія і тим більш видимо обертання. Мінімальна практична довжина становить приблизно п'ять метрів. Від десяти до двадцяти метрів значно краще. Знайдіть високу точку кріплення: колодязь сходів, балка горища, балка сарая, висока дерева або стеля багатоповерхового будинку. Точка кріплення повинна бути повністю жорсткою і нерухомою. Будь-яке вібрування або рух опори повністю замаскує тонке обертання Фуко.

Вісь є найбільш критичним компонентом. Маятник Фуко повинен вільно коливатися в усіх напрямках, тому вісь не повинна обмежувати площину коливання. Просте універсальне з'єднання (два вертикальні петлі) або однопунктова вісь працює добре. Найпростіша і найбільш ефективна вісь — це тонкий стальний дріт (піаніно тросик, приблизно 0,5-1 мм в діаметрі), міцно закріплений зверху. Тонкий дріт не вводить переважну напрямок і може вільно згинатися в усіх напрямках. Дріт повинен бути закріплений у жорсткому кронштейні, прикріпленому до твердої стельової балки.

Груз повинен бути досить важким для практичного застосування. Фуко використовував двадцять вісім кілограмів. Важчий груз краще протистоїть перетягуванню повітря і довше коливається. Використовуйте матеріал високої щільності: великі грузи з свинцю або латуні, контейнер, наповнений піском, або металева банка, наповнена бетоном. Груз повинен бути повністю зрівноважений і симетричний щодо осі дроту. Будь-яка асиметрія викличе коливання маятника або вимушену прецесію. Куля або повністю збалансований циліндр працює найкраще. Прикріпите дріт до точного центру верху грузу.

Для мотузки маятника використовуйте високоякісний стальний піанінний тросик або тонкий стальний кабель. Дріт повинен бути досить міцним, щоб підтримувати груз з великим запасом міцності (мінімум в десять разів), досить тонким, щоб вільно згинатися в осі, та досить жорстким, щоб не скручуватися. Для грузу від п'яти до десяти кілограмів піанінний дріт 0,5-1 мм достатній. Верхній кінець повинен бути міцно закріплений в осі. Прикріпите нижній кінець до грузу, використовуючи малий окремий болт або отвір, просвердлений у верхній частині грузу, переконайтесь, що з'єднання повністю центровано і дріт у стані спокою висить точно вертикально.

Під маятником розмістіть круглу еталонну кільце на землі, щоб вказати напрямок коливання маятника. Кільце діаметром приблизно від одного до двох метрів працює добре. Позначте кільце кожні п'ять або десять градусів (0-360). Ви можете використовувати великий папір або картон, коло, намальоване на землі, або кільце з малих маркерів. Центр кільця повинен бути прямо під точкою осі. Використовуйте компас, щоб позначити справжній північ на кільці.

Техніка запуску критична. Маятник повинен коливатися в одній площині, не еліптично. Бічний рух створює додаткову еліптичну траєкторію, а еліпс не пов'язаний з ефектом Фуко, тому він прецесує інакше, що плутає вимірювання. Для чистого запуску використовуйте натягнену мотузку, прикріплену до нерухомої точки, щоб потягнути груз убік, тримайте його, поки все дрижання не зупиниться, потім підпаліть мотузку сірником або свічкою (або гостро її обріжте). Це звільняє груз в чистому русі без поперечних сил. Сам Фуко використовував цю техніку спалювання мотузки у 1851 році в Парижі.

Після запуску спостерігайте напрямок коливання щодо еталонного кільця. Записуйте напрямок коливання кожні п'ятнадцять-тридцять хвилин. На широті п'ятидесяти градусів північно, площина коливання обертається за годинниковою стрілкою приблизно 11,5 градусів на годину (360 × sin(50°) / 24 = 11,49 градусів на годину). Через одну годину напрямок коливання повинен змінитися приблизно на одинадцять градусів. Через три години приблизно на тридцять чотири градуси. Обертання повільне і постійне. Це ясно показує, що Земля обертається під маятником.

Якщо маятник малює еліпс замість прямої лінії, запуск був нечистий. Спробуйте ще раз, використовуючи техніку спалювання мотузки. Якщо площина коливання обертається значно швидше або повільніше, ніж очікується, перевірте три речі: асиметрію грузу (спричиняючи механічну прецесію), тертя або обмеження в осі (примусова переважна напрямок коливання), або потік повітря (штовхання грузу убік). Кімната з протягом або відкриті двері викликають видиму ротацію набагато швидше, ніж ефект Фуко. Захистіть маятник від потоку повітря і переконайтесь, що вісь дійсно вільна.

Теоретична швидкість обертання: градусів на годину = 15 × sin(широта). На екваторі (0°) маятник зовсім не обертається. На широті 30° обертається 7,5°/годину. На 45° обертається 10,6°/годину. На 90° (полюс) обертається 15°/годину (одне повне обертання на день). Порівняйте спостережувану швидкість обертання з передбаченою швидкістю для вашої широти. Якщо вони збігаються в межах кількох відсотків, ви успішно продемонстрували те, що доказав Фуко у 1851 році. Це найбільш елегантний, найпростіший та найбільш прямий доказ обертання Землі, що вимагає лише дроту з грузом та терпіння, щоб спостерігати його обертання.