Xây dựng Con lắc Foucault — Chứng minh sự quay của Trái đất

Một con lắc dao động tự do giữ mặt phẳng dao động của nó cố định trong không gian. Đây là kết quả trực tiếp của định luật chuyển động thứ nhất của Newton. Khi con lắc được treo trên một bề mặt quay (Trái đất), bề mặt quay dưới con lắc trong khi mặt phẳng dao động vẫn cố định. Từ góc độ của một người quan sát đứng trên Trái đất quay, hướng dao động của con lắc dường như quay chậm. Tại Cực bắc, mặt phẳng con lắc dường như quay 360 độ theo chiều kim đồng hồ trong vòng 23 giờ 56 phút (một ngày sao). Ở các vĩ độ khác, tốc độ quay là 360 × sin(vĩ độ) độ mỗi ngày.

Con lắc Foucault cần dây dài nhất có thể để có kết quả ổn định. Con lắc càng dài, chu kỳ dao động càng dài, mất năng lượng càng chậm và sự quay càng rõ ràng. Chiều dài tối thiểu thực tế là khoảng năm mét. Mười đến hai mươi mét tốt hơn nhiều. Tìm một điểm cố định cao: giếng cầu thang, xà nhà, xà kho, cây cao hoặc trần nhà của tòa nhà nhiều tầng. Điểm cố định phải hoàn toàn cứng và đứng yên. Bất kỳ rung động hay chuyển động của giá đỡ nào cũng sẽ hoàn toàn che phủ sự quay tinh tế của Foucault.

Trục quay là thành phần quan trọng nhất. Con lắc Foucault phải dao động tự do ở tất cả các hướng, vì vậy trục quay không được giới hạn mặt phẳng dao động. Khớp nối phổ quát đơn giản (hai bản lề dọc) hoặc trục quay một điểm hoạt động tốt. Trục quay đơn giản và hiệu quả nhất là một dây thép mỏng (dây đàn piano, khoảng 0,5-1 mm đường kính) được cột chặt từ phía trên. Dây mỏng không giới thiệu hướng ưa thích và có thể uốn tự do ở tất cả các hướng. Dây phải được cố định trong giá đỡ cứng được buộc vào dầm trần chắc chắn.

Trọng lượng phải nặng đủ để sử dụng thực tế. Foucault sử dụng hai mươi tám kilôgram. Trọng lượng nặng hơn sẽ chống lại sức cản không khí tốt hơn và dao động lâu hơn. Sử dụng vật liệu có mật độ cao: quả nặng chì hoặc đồng lớn, vật chứa đầy cát hoặc hộp kim loại đầy bê tông. Trọng lượng phải hoàn toàn cân bằng và đối xứng quanh trục dây. Bất kỳ sự không đối xứng nào sẽ làm cho con lắc dao động hoặc chuyển động chuỗi tiên nghiệm. Hình cầu hoặc hình trụ cân bằng hoàn toàn hoạt động tốt nhất. Gắn dây vào tâm trên chính xác của trọng lượng.

Đối với sợi dây con lắc, sử dụng dây đàn piano thép chất lượng cao hoặc cáp thép mỏng. Dây phải đủ mạnh để chịu trọng lượng với lề an toàn lớn (ít nhất mười lần), mềm đủ để uốn tự do tại trục quay và cứng đủ để không xoắn. Đối với trọng lượng năm đến mười kilôgam, dây đàn piano 0,5-1 mm là đủ. Đầu trên phải được cột chặt tại trục quay. Gắn đầu dưới vào trọng lượng, sử dụng ốc mắt nhỏ hoặc lỗ khoan tại đầu trên của trọng lượng, đảm bảo kết nối hoàn toàn tập trung và dây treo thẳng đứng khi đứng yên.

Dưới con lắc, đặt một vòng tham chiếu hình tròn trên mặt đất để chỉ hướng dao động của con lắc. Một vòng có đường kính khoảng một đến hai mét hoạt động tốt. Đánh dấu vòng cứ mỗi năm hoặc mười độ (0-360). Bạn có thể sử dụng giấy lớn hoặc bìa cứng, hình tròn vẽ trên mặt đất hoặc vòng các dấu hiệu nhỏ. Tâm của vòng phải nằm trực tiếp dưới điểm trục quay. Sử dụng la bàn để đánh dấu bắc thực trên vòng.

Kỹ thuật khởi động rất quan trọng. Con lắc phải dao động trong một mặt phẳng, không phải hình elip. Chuyển động ngang tạo ra đường dẫn elip bổ sung và hình elip không liên quan đến hiệu ứng Foucault, vì vậy nó chuyển động khác nhau, gây nhầm lẫn phép đo. Để khởi động sạch, sử dụng sợi dây căng buộc vào một điểm cố định để kéo trọng lượng sang một bên, giữ cho đến khi tất cả các rung động dừng lại, sau đó châm lửa dây bằng diêm hoặc nến (hoặc cắt sắc). Điều này giải phóng trọng lượng trong chuyển động thuần túy mà không có lực ngang. Bản thân Foucault đã sử dụng kỹ thuật đốt dây này vào năm 1851 ở Paris.

Sau khi khởi động, quan sát hướng dao động so với vòng tham chiếu. Ghi lại hướng dao động cứ mỗi mười lăm đến ba mươi phút. Ở vĩ độ năm mươi độ bắc, mặt phẳng dao động quay theo chiều kim đồng hồ khoảng 11,5 độ mỗi giờ (360 × sin(50°) / 24 = 11,49 độ mỗi giờ). Sau một giờ, hướng dao động sẽ thay đổi khoảng mười một độ. Sau ba giờ, khoảng ba mươi bốn độ. Sự quay chậm và liên tục. Điều này rõ ràng cho thấy Trái đất đang quay dưới con lắc.

Nếu con lắc vẽ một hình elip thay vì một đường thẳng, khởi động không sạch sẽ. Hãy thử lại bằng cách sử dụng kỹ thuật đốt dây. Nếu mặt phẳng dao động quay nhanh hơn hoặc chậm hơn dự kiến đáng kể, hãy kiểm tra ba điều: sự không đối xứng của trọng lượng (gây ra chuyển động tiên nghiệm cơ học), ma sát hoặc hạn chế tại trục quay (buộc hướng dao động ưa thích) hoặc dòng không khí (đẩy trọng lượng sang một bên). Phòng nháp hoặc cửa mở gây ra sự quay rõ ràng nhanh hơn nhiều so với hiệu ứng Foucault. Bảo vệ con lắc khỏi dòng không khí và đảm bảo rằng trục quay thực sự tự do.

Tốc độ quay lý thuyết: độ mỗi giờ = 15 × sin(vĩ độ). Tại xích đạo (0°), con lắc không quay chút nào. Ở vĩ độ 30°, nó quay 7,5°/giờ. Ở 45°, nó quay 10,6°/giờ. Ở 90° (cực), nó quay 15°/giờ (một vòng quay hoàn chỉnh mỗi ngày). So sánh tốc độ quay được quan sát với tốc độ dự kiến cho vĩ độ của bạn. Nếu nó khớp trong một vài phần trăm, bạn đã chứng minh thành công những gì Foucault chứng minh vào năm 1851. Đây là bằng chứng trực tiếp, đơn giản và trực tiếp nhất về sự quay của Trái đất, chỉ cần dây với trọng lượng và sự kiên nhẫn để quan sát nó quay.