Кожевников Евгений
Целью данной работы является систематизация собранной информации и создание настольной демонстрационной установки маятника Фуко.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Районный конкурс молодых исследователей «Шаг в будущее»
Тема: «Маятник Фуко»
Выполнил:
Кожевников Евгений Александрович
9 «Б» класс МБОУ «СОШ №6»
Руководитель:
Давыдова Ирина Николаевна
Учитель физики МБОУ «СОШ №6»
г. Кольчугино
2012
Введение 3
1.1. История создания маятника Фуко 3
1.2. Опыт Фуко 5
1.2.1. Демонстрация опыта 5
1.2.2. Принцип работы маятника 6
1.3. Биография Ж.Б.Л. Фуко 6
1.4. Действующие маятники Фуко 7
1.4.1. Действующие маятники в России и странах СНГ 7
1.4.2. Действующие маятники в других странах 9
1.5. Интересные факты 11
2. Практическая часть 11
2.1. Модели маятника, которые можно сделать самому 11
2.2. Модель маятника, представленная на конкурс 13
Заключение 14
Список литературы 15
Введение
О существовании маятника Фуко я узнал из курса физики 9 класса (тема «Колебания и волны»). А потом посмотрел телепередачу «Галилео», в которой я увидел модель маятника, изготовленного умельцами программы. И я решил проверить, смогу ли я сам изготовить подобную работающую модель. Для этого я собрал и изучил информацию из различных источников: книги, СМИ, Интернет. Материал был настолько интересный, что я решил его систематизировать и самому изготовить модель.
Целью данной работы является систематизация собранной информации и создание настольной демонстрационной установки маятника. В работе я изложил материал об истории создания маятника, его первой демонстрации, принципе работы, о различных видах моделей маятника, созданных по всему миру, и предлагаю на рассмотрение жюри модель маятника, сделанную своими руками.
Со своей работой я выступал на уроке физики перед одноклассниками и на школьной научно-практической конференции «Дорогами открытий» и был награжден грамотой за победу в номинации «Прикладная физика»
1.1 История создания маятника Фуко
Наблюдать за качаниями светильников в соборе, оказывается, любил не только Галилей. Эту страсть он передал и своему ученику Винченцо Вивиани. В 1660 г. в отличие от Галилея он обратил внимание на другую особенность колебаний маятника на длинной нити.
Оказывается, плоскость их качаний постоянно отклоняется, причем всегда в одну и ту же сторону – по часовой стрелке, если смотреть на маятник сверху вниз. А в 1664 г. ученый из города Падуи Джованни Полени связал это отклонение с вращением Земли – дескать, Земля вращается, а плоскость колебаний маятника как была, так и остается. Вот и наблюдается это стоящими на Земле людьми как отклонение плоскости качаний маятника.
Но оказывается, это свойство маятника было известно и вездесущим древним. Действительно, новое – это хорошо забытое старое. Вот что писал по этому поводу в своей «Естественной истории» римский ученый Плиний Старший, живший в I в. н. э.: «Есть возможность устроить компас без магнита. Для этого нужно взять маятник и заставить его качаться по определенному направлению. При поворотах корабля маятник будет сохранять в своих качаниях заданное ему направление» (рис. 1).
Рис. 1. Компас Плиния Старшего на корабле Рис. 2. Пруток, зажатый во вращающемся
Патроне, не меняет плоскость колебаний
Надо сказать, кое-что в совете Плиния вызывает сомнение. Первое – не мог Плиний знать про компас, в Европе про него узнали гораздо позже, по крайней мере дали это название. Так что многое, приписываемое Плинию, вполне мог внести от себя переводчик его трудов с латыни в XVIII в. Второе – невозможно, чтобы так долго маятник не изменял плоскости своих колебаний, его подвес сделать идеальным нельзя, да и воздух вокруг будет давать помехи. И третье – вращение Земли будет само «отклонять» плоскость колебаний маятника, так что корабль «заходит» по кругу. Но так или иначе, Плинием было замечено, что маятник сохраняет плоскость своих качаний. И это свойство блестяще применил французский ученый Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868), создав свои знаменитые маятники. С детства Фуко учиться не любил, знания давались ему с трудом. Но руки у него были золотые – он мастерил игрушки, приборы, сам построил паровую машину, прекрасно работал на токарном станке.
Однажды Фуко заметил, что если зажать в патроне станка длинный упругий стальной прут и заставить его колебаться (рис. 2), то плоскость колебаний не изменится даже при быстром вращении патрона. Заинтересовавшись этим явлением, Фуко стал наблюдать сначала за поведением того же прутка во вращающемся патроне, а затем для удобства решил заменить его маятником.
Первые опыты с маятником Фуко провел в погребе своего дома в Париже. К вершине свода погреба он прикрепил двухметровую проволоку из закаленной стали и подвесил на ней пятикилограммовый латунный шар. Отведя шар в сторону, зафиксировав его с помощью нити возле одной из стен, Фуко пережег нить, предоставив маятнику возможность свободно качаться. И уже через полчаса он стал свидетелем вращения Земли.
Это произошло 8 января 1851 г. А спустя несколько дней Фуко повторил свой опыт в Парижской обсерватории по просьбе ее директора, знаменитого французского ученого Араго. На этот раз длина проволоки составляла уже 11 м. И отклонение плоскости качания маятника было еще заметней.
Об опыте Фуко заговорили повсюду. Всем хотелось своими глазами увидеть вращение Земли. Дело дошло до того, что президент Франции принц Луи-Наполеон решил поставить этот опыт в поистине гигантских масштабах, чтобы демонстрировать его публично. Фуко было предоставлено здание парижского Пантеона с высотой купола 83 м.
1.2. Опыт Фуко
1.2.1. Демонстрация опыта
Впервые публичная демонстрация была осуществлена Жаном Фуко в 1851 г. в Парижском Пантеоне (рис. 3): под куполом Пантеона он подвесил металлический шар массой 28 кг с закреплённым на нём остриём на стальной проволоке длиной 67 м, крепление маятника позволяло ему свободно колебаться во всех направлениях, под точкой крепления было сделано круговое ограждение диаметром 6 метров, по краю ограждения была насыпана песчаная дорожка таким образом, чтобы маятник в своём движении мог при её пересечении прочерчивать на песке отметки. Чтобы избежать бокового толчка при пуске маятника, его отвели в сторону и привязали верёвкой, после чего верёвку пережгли.
Период колебания маятника при такой длине подвеса составлял 16,4 секунд, при каждом колебании отклонение от предыдущего пересечения песчаной дорожки составляло ~3 мм, за час плоскость колебаний маятника повернулась более чем на 11° по часовой стрелке, то есть примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение.
1.2.2. Принцип работы маятника
Принцип работы маятника Фуко заключается в том, что он за каждое колебание отклоняется о заданной траектории благодаря вращению Земли вокруг своей оси, более всего этот эффект заметен на полюсах планеты и вообще не заметен на экваторе. Чем больше размер маятника, тем более заметен эффект отклонения. Если работающий маятник, а точнее каркас начинать поворачивать, то маятник сохраняет своё положение, также происходит с Землёй, она вращается под маятником и кажется, что маятник меняет направление своих колебаний, на самом же деле маятник просто сохраняет своё положение, а Земля вращается. Так как маятник не жёстко связан с его каркасом, поэтому каркас вращается вместе с землёй, а маятник сохраняет своё положение.
1.3. Биография Ж.Б.Л. Фуко
ФУКО Жан Бернар Леон (1819-1868), французский физик, известный своими экспериментами по оптике и механике. Родился 18 сентября 1819 в Париже. Начальное образование получил дома. По настоянию отца изучал медицину, но увлекся экспериментальной физикой. С 1845 - научный обозреватель газеты "Журнал дискуссий" ("Journal des Dbats"), с 1855 - сотрудник Парижской обсерватории, с 1862 - член Бюро долгот. Основные исследования относятся к оптике, механике, электромагнетизму. Вместе с А.Физо провел ряд оптических исследований, наиболее известное из них - наблюдение интерференции света при большой разности хода. В 1849-1850 измерил скорость света в воздухе и воде, используя быстро вращающееся зеркало. Эти сравнительные измерения окончательно подтвердили волновую природу света. В 1851 при помощи маятника (маятник Фуко) продемонстрировал вращение Земли вокруг оси. В 1852 изобрел гироскоп, широко применяющийся теперь в технике и навигации. В 1855 обнаружил нагревание проводящего материала вихревыми индукционными токами (токи Фуко) и предложил способ их уменьшения. Разработал прецизионный способ изготовления зеркал для больших рефлекторов и предложил использовать вместо металлических зеркал более легкие и дешевые стеклянные, покрытые пленкой серебра. Среди других изобретений Фуко - автоматический регулятор света для дуговой лампы, фотометр, поляризационная призма, пригодная для работы в УФ-области. Фуко был членом Лондонского королевского общества, Берлинской академии наук; за научные заслуги награжден медалью Копли.
1.4. Действующие маятники Фуко
1.4.1. Действующие маятники в России и странах СНГ
24 февраля 2011 года модель маятника появилась в Киеве . Он установлен в (рис. 4). Шар из бронзы весит 43 килограмма, а длина нити составляет 22 метра. Киевский маятник Фуко считается самым большим в СНГ и одним из самых крупных в Европе.
12 июня 2011 года открылся Московский планетарий , где установлен действующий маятник Фуко с длиной нити 16 метров, массой шара - 50 килограммов (рис. 5).
8 февраля 2012 года открылся Новосибирский астрофизический комплекс , включающий в себя башню Фуко с маятником, длина нити которого 15 метров.
Действующий маятник Фуко c длиной нити 20 метров имеется в Сибирском федеральном университете (Красноярск ).
Действующий маятник Фуко, массой 12 килограммов и длиной нити 8,5 метров, имеется в Волгоградском планетарии.
Действующий маятник Фуко в настоящее время есть в Санкт-Петербургском планетарии. Длина его нити - 8 метров.
Горбацевич С.А. Маятник Фуко. Историко-иллюстративно-демонстрационный материал к теме «Механические колебания и волны» // Фiзiка: праблемы выкладання. - 2010. - № 1. - С. 58-61. - Авторская версия.
По специальной договоренности с редакцией журнала ФПВ и автором
Маятник Фуко
Маятник Фуко - маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли.
Фуко, Жан Бернар Леон.
3 января 1851 года января Жан Бернар Леон Фуко провёл успешный опыт с маятником, впоследствии получившим его имя. Для опыта был выбран Парижский Пантеон, в нем можно было укрепить нить маятника длиной 67 метров. На конце нити из стальной проволоки был укреплён чугунный шар весом 28 килограммов. Перед пуском шар отводился в сторону и привязывался тонкой бечёвкой, опоясывающей шар по экватору. Под маятником был сделан круглый помост, по краю которого насыпан валик песка. Одно полное колебание маятника длилось 16,4 с, и при каждом размахе прикреплённое под шаром маятника остриё прочерчивало новую черту на песке, наглядно показывая вращение под ним помоста, а, следовательно, и всей Земли.
В основе опыта лежит свойство маятника сохранять плоскость колебаний независимо от вращения опоры, к которой маятник подвешен. Наблюдатель, вращающийся вместе с Землёй, видит постепенное изменение направления качаний маятника относительно окружающих земных предметов.
При практическом осуществлении опыта с маятником Фуко важно устранить причины, нарушающие его свободное качание. Для этого его и делают очень длинным, с тяжелым и симметричным грузом на конце. Маятник должен иметь одинаковую возможность качаться во всех направлениях, быть хорошо защищённым от ветра. Укрепляют маятник либо на карданном шарнире, либо на горизонтальном шарикоподшипнике, поворачивающемся вместе с плоскостью качания маятника. Большое значение для результатов опыта имеет пуск маятника без бокового толчка. На первой публичной демонстрации опыта Фуко в Пантеоне именно для этого маятник и привязали бечёвкой. Когда маятник после привязывания пришел в состояние полного покоя, веревку пережгли, и он пришел в движение.
Так как маятник в Пантеоне совершал одно полное колебание за 16,4 с, вскоре стало видно, что плоскость качания маятника поворачивается по часовой стрелке относительно пола. При каждом следующем качании металлическое острие сметало песок примерно в 3 мм от предыдущего места. За час плоскость качания повернулась более чем на 11° по часовой стрелке, примерно за 32 ч совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение. Эта впечатляющая демонстрация приводила зрителей прямо-таки в истерику; им казалось, что они чувствуют вращение Земли под ногами.
Чтобы выяснить, почему маятник ведет себя таким образом, рассмотрим песочное кольцо. Северная точка кольца находится в 3 м от центра, и, учитывая, что Пантеон находится на 48°51" северной широты, эта часть кольца на 2,3 м ближе к земной оси, чем центр. Поэтому при повороте Земли на 360° в течение 24 ч северный край кольца будет двигаться по кругу меньшего радиуса, чем центр, и за сутки пройдет на 14,42 м меньше. Следовательно, разность скоростей этих точек равна 1 см/мин. Точно так же южный край кольца движется на 14,42 м в сутки, или на 1 см/мин, быстрее, чем центр кольца. Благодаря этой разности скоростей линия, соединяющая северную и южную точки кольца, всегда остается направленной с севера на юг.
На земном экваторе северный и южный концы столь небольшого пространства находились бы на одном расстоянии от земной оси и, следовательно, двигались с одинаковой скоростью. Поэтому поверхность Земли не вращалась бы вокруг вертикального столба, стоящего на экваторе, а маятник Фуко качался бы по одной и той же линии. Скорость вращения плоскости качания была бы равна нулю, а время полного оборота было бы бесконечно большим. Если бы маятник был установлен точно на одном из географических полюсов, то оказалось бы, что плоскость качания поворачивается точно на 15° каждый час и совершает полный оборот на 360° за 24 ч. (Поверхность Земли поворачивается на 360° в сутки вокруг земной оси).
На всех других широтах эффект Фуко проявляется в различной степени, при этом его действие становится более наглядным по мере приближения к полюсам.
Париж. Пантеон. Маятник Фуко
Самая длинная нить – 98 метров – была у маятника Фуко, расположенного в Исаакиевском соборе в г. Санкт-Петербурге. Маятник снят в 1992 году, как не соответствующий назначению здания.
Теперь на Северо-Западе России есть лишь один маятник Фуко – в Санкт-Петербургском Планетарии. Длина его нити невелика – около 8 метров, но от этого степень наглядности не уменьшается. Этот экспонат Планетария вызывает неизменный интерес у посетителей всех возрастов.
Маятник Фуко, размещающийся в настоящее время в вестибюле для посетителей здания Генеральной Ассамблеи Организации Объединённых Наций в Нью-Йорке, является даром правительства Нидерландов.
Этот маятник представляет собой 200-фунтовый позолоченный шар диаметром 12 дюймов, частично наполненный медью и подвешенный на проволоке из нержавеющей стали под потолком над церемониальной лестницей в 75 футах от пола. Верхний конец проволоки закреплен с помощью универсального шарнира, что позволяет маятнику свободно качаться в любой вертикальной плоскости. При каждом колебании шар проходит над рельефным металлическим кольцом с электромагнитом, в результате чего в меди внутри шара наводится электрический ток. Это взаимодействие дает необходимую энергию для преодоления трения и сопротивления воздуха и обеспечивает равномерность качания маятника.
В сентябре 2004 г. в Белорусском государственном педагогическом университете имени Танка состоялось открытие уникального для науки и культуры нашей страны сооружения – маятника Фуко. На торжестве присутствовали Митрополит Минский и Слуцкий Филарет, Патриарший Экзарх всея Беларуси, преподаватели университета, ученые-физики, студенты.
Маятник Фуко представляет собой четырехгранную застекленную пирамиду высотой 7,5 метров, внутри которой на стальной проволоке подвешен шар массой 27 килограммов. Специальный магнит, который приводит маятник в движение, изготовлен в Калуге. Полная амплитуда колебания составляет 2,5 метра.
Находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней наблюдатель заметит, что плоскость качаний маятника медленно поворачивается относительно Земли в сторону, противоположную вращению нашей планеты. На широте Минска за звездные сутки маятник описывает дугу в 290 градусов, то есть в час сдвигается на 12 градусов (на полюсах плоскость качания маятника совершает полный оборот каждые сутки). Маятник Фуко в минском педуниверситете – первый в нашей стране и третий в СНГ (еще такие сооружения есть в планетариях Санкт-Петербурга и Смоленска). Всего в мире таких приборов около двадцати, в том числе в США, Франции, Румынии, Австралии, Кувейте.
А можно ли подобное сооружение изготовить собственными силами, используя простой, всем доступный реквизит, в небольшой лаборатории или дома?
Модели маятника Фуко
Предлагаю два варианта: механическая и электромеханическая модели маятника Фуко.
Механическая модель
Для демонстрации опыта необходимы следующие материалы:
- пробка – 1 шт.;
- булавка – 2 шт.;
- вилка – 3 шт.;
- тарелка – 1 шт.;
- груз (яблоко или картофелина) – 1 шт.;
- нить;
- соль.
Изготовление:
- с помощью пробки и вилок соорудите пирамиду;
- используя нить и булавки, закрепите груз за нижнюю часть пробки;
- поместите пирамиду на тарелку, при этом нижняя булавка не должна касаться дна;
- по краю дна тарелки по окружности в виде холмика насыпьте соль.
Жан Бернар Леон Фуко — французский физик, член Парижской Академии наук, родился в Париже 18 сентября 1819 года. Кроме маятника Фуко, учёный спроектировал гироскоп, разработал метод измерения скорости света в воздухе и воде, а также создал один способов серебрения зеркал.
Жан Бернар Леон Фуко. Не позднее 1868 года. Фото: Commons.wikimedia.org / Léon Foucault
Что такое маятник Фуко?
В середине XIX века Жан Фуко изобрёл устройство, которое наглядно демонстрирует вращение Земли. Вначале учёный провёл эксперимент в узком кругу. Позже об этом опыте узнал Луи Бонапарт. В 1851 году будущий французский император Наполеон III предложил Фуко повторить эксперимент публично под куполом Пантеона в Париже.
Во время эксперимента Фуко взял груз весом 28 кг и подвесил его к вершине купола на проволоке длиной 67 м. На конце груза учёный закрепил металлическое острие. Маятник совершал колебания над круглым ограждением, по краю которого был насыпан песок. При каждом качании маятника острый стержень, закреплённый снизу груза, сбрасывал песок приблизительно в трёх милиметрах от предыдущего места. Примерно через два с половиной часа стало видно, что плоскость качания маятника поворачивается по часовой стрелке относительно пола. За час плоскость колебаний повернулась более чем на 11°, а примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение. Фуко таким образом доказал, что если бы поверхность Земли не вращалась, маятник Фуко не показывал бы изменения плоскости колебаний.
За проведение этого опыта Фуко был удостоен Ордена Почётного легиона — высшей награды Франции. Маятник Фуко впоследствии получил распространение во многих странах. Существующие приборы в основном сконструированы по одному и тому же принципу и различаются между собой по техническим параметрам и дизайну площадок, на которых они установлены.
Как может меняться плоскость вращения маятника?
На плоскость вращения маятника влияет как географическая широта места, где он установлен, так и длина подвеса (длинные маятники вращаются быстрее).
Маятник, установленный на Северном или Южном полюсе, будет делать оборот за 24 часа. Маятник, установленный на экваторе, вообще не будет вращаться, плоскость останется неподвижной.
Маятник Фуко в Парижском Пантеоне. Фото: Commons.wikimedia.org / Arnaud 25
Где можно увидеть маятник Фуко?
В России на действующий маятник Фуко можно просмотреть в Московском планетарии, Сибирском федеральном университете, в атриуме 7-го этажа Фундаментальной библиотеки МГУ, Санкт-Петербургском и Волгоградском планетариях, в Приволжском федеральном университете в Казани.
Маятник Фуко в Интерактивном музее "Лунариум" Московского планетария
До 1986 года маятник Фуко длиной 98 м можно было увидеть в Исаакиевском соборе в Санкт-Петербурге. Во время проведения экскурсии посетители собора могли наблюдать за экспериментом — плоскость вращения маятника поворачивалась, и стержень сбивал спичечный коробок на полу поодаль от плоскости вращения маятника.
Самый большой в СНГ и один из самых крупных маятников Фуко в Европе установлен в Киевском политехническом институте. Шар из бронзы весит 43 килограмма, а длина нити составляет 22 метра.
После Октябрьской революции 1917 года Исаакиевский собор перестал существовать как храм: все церковные ценности были изъяты, настоятель арестован и прекращены службы. 12 апреля 1931 года в соборе был открыт один из первых в Советской России антирелигиозных музеев. Накануне, в ночь с 11-го на 12 апреля, внутри в присутствии семи тысяч зрителей впервые был показан опыт с маятником Фуко.
Что такое маятник Фуко?
Маятник Фуко используется для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли. Впервые эксперимент с маятником был осуществлён ночью 8 января 1851 года французским физиком и астрономом Жаном Фуко в подвале дома. После того как эксперимент был повторён в узком кругу лиц, будущий французский император Наполеон III предложил Фуко повторить эксперимент публично под куполом Пантеона в Париже.
Во время эксперимента учёный взял груз весом 28 килограммов и подвесил его к вершине купола на проволоке длиной 67 метров. На конце груза учёный закрепил металлическое остриё. Маятник совершал колебания над круглым ограждением, по краю которого был насыпан песок. При каждом качании маятника острый стержень, закреплённый снизу груза, сбрасывал песок приблизительно в трёх миллиметрах от предыдущего места. Примерно через два с половиной часа стало видно, что плоскость качания маятника поворачивается по часовой стрелке относительно пола. За час плоскость колебаний повернулась более чем на 11 градусов, а примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение. Фуко таким образом доказал, что если бы поверхность Земли не вращалась, маятник Фуко не показывал бы изменения плоскости колебаний.
Кстати, на плоскость вращения маятника влияет как географическая широта места, где он установлен, так и длина подвеса (длинные маятники вращаются быстрее). Например, маятник, установленный на Северном или Южном полюсе, будет делать оборот за 24 часа. А маятник, установленный на экваторе, вообще не будет вращаться, плоскость останется неподвижной.
Маятник Фуко впоследствии получил распространение во многих странах. Существующие приборы в основном сконструированы по одному и тому же принципу и различаются между собой по техническим параметрам и дизайну площадок, на которых они установлены.
В России на действующий маятник Фуко можно просмотреть в Московском планетарии, Сибирском федеральном университете, в атриуме седьмого этажа Фундаментальной библиотеки МГУ, Санкт-Петербургском и Волгоградском планетариях, в Приволжском федеральном университете в Казани.
С 1931-го до 1986 года маятник Фуко длиной 98 метров можно было увидеть в Исаакиевском соборе в Санкт-Петербурге. Во время проведения экскурсии посетители собора могли наблюдать за экспериментом: плоскость вращения подвешенного под куполом маятника поворачивалась - и стержень сбивал спичечный коробок на полу поодаль от плоскости вращения маятника.
О судьбе петербургского маятника Фуко
В 1986 году маятник сняли и убрали в подвал Исаакиевского собора в связи с неисправностью подвесного механизма. На крюк под куполом поместили голубя - изначального обитателя этого места. 30 лет маятник Фуко находился в хранилище, но в прошлом году его достали вновь. К Дню космонавтики была запланирована единственная демонстрация его работы, а потом он стал частью музейной экспозиции. Директор ГМП «Исаакиевский собор» Николай Буров предлагал властям города показывать маятник на площади перед собором, но эта инициатива не нашла поддержки. В связи со сложившейся спорной ситуацией в судьбе собора и возможным переездом музея Буров заявил, что маятник Фуко как музейный экспонат переедет вместе с остальной частью коллекции.
Фото: rewizor.ru, krugosvet.ru, pikabu.ru, realigion.me, gazeta.ru, img-fotki.yandex.ru
Более 500 лет назад польский астроном Николай Коперник впервые показал, что Земля вращается. Однако наглядно доказать это трудно. Хотя окружная скорость земной поверхности и достигает на экваторе огромной цифры- 465 метров в секунду, но мы не замечаем ее, так как сами вращаемся вместе с Землей.
Важнейшее проявление вращения Земли - смена дня и ночи не являлось прямым подтверждением этого явления. До Коперника предполагали, что Земля неподвижна, а вращаются миры, окружающие ее. Другие проявления вращения Земли, как, например, отклонение течения рек и искривление направления постоянных ветров, дующих в тропическом поясе, становятся заметными лишь при длительных наблюдениях и, очевидно, не могут наглядно подтвердить вращение Земли. Доказательство этого факта было дано спустя три столетия после открытия Коперника, когда Фуко в 1851 году подвесил свой маятник под куполом парижского Пантеона.
В 1931 году в Ленинграде, в здании бывшего Исаакиевского собора, также был установлен маятник Фуко. Этот маятник представляет собой тяжелый (54 кг) шар с длинным острием. Он подвешен на тонкой проволоке, которая укреплена под куполом собора на высоте 98 метров в стакане с шарикоподшипником, что не позволяет проволоке закручиваться. На полу, под маятником, расположены сектора, размеченные на градусы.
Опыт Фуко основан на свойстве маятника сохранять все время одну и ту же плоскость качания, как бы ни поворачивалась опора его подвеса. Перед началом опыта острие шара устанавливают над чертой сектора, обозначенной как О градусов, и, отведя шар в сторону, привязывают тонкой ниткой, которую затем пережигают. После этого маятник начинает качаться в неизменной плоскости с периодом колебаний в 20 секунд. Примерно через 5 минут сектор под маятником поворачивается на 1 градус против часовой стрелки, что. и определяет направление и угловую скорость вращения Земли.
Из приведенного описания легко установить основной недостаток опыта Фуко: демонстрировать его можно только в очень высоких помещениях, так как с уменьшением размеров маятника отклонение плоскости качания от начального положения за ограниченный промежуток времени становится все менее заметным.
Со дня первого опыта Фуко ученым не удалось предложить новых наглядных пособий и методов доказательства вращения Земли, хотя делались многочисленные попытки создать для этого специальные приборы. Упомянем хотя бы о многократно повторявшемся опыте падения тел с высоты, при котором тело отклоняется к востоку, то есть по направлению вращения Земли. Однако величина этого отклонения невелика. Например, при высоте 85 метров в средних широтах она составляет всего около 10 миллиметров. Таким образом, этот опыт для наглядной демонстрации непригоден.
Изучение вращения Земли продолжает оставаться актуальным и для наших дней. Это необходимо для атеистической пропаганды, для астрономических наук, а в школах и институтах - для физических опытов. В течение ряда лет мы работали над созданием наглядных приборов, которые могли бы показать суточное вращение Земли. Приборы, сконструированные нами, отличаются от маятника Фуко в основном тем, что не отстают от вращающейся Земли, а обгоняют ее. Опишем кратко устройство некоторых из них. Основным таким прибором является вращающийся маятник. Его главная часть - прямоугольная рамка, опирающаяся на два острия. Внутри рамки на горизонтальной оси может вращаться стержень с двумя равными грузами. В движение он приводится двумя пружинами. Для регистрации поворота прибора к рамке прикреплена стрелка. Чтобы привести прибор в действие, стержень вращают рукой до полного растяжения пружин. Затем он устанавливается горизонтально и привязывается к рамке тонкой ниткой. Через несколько секунд стрелка перестает дрожать, следовательно, прибор относительно вращающейся Земли не перемещается. Его пуск осуществляется простым пережиганием нитки.
Под действием пружин стержень начинает вращаться, и через 15- 20 секунд, как только он разовьет достаточное для преодоления трения в центрах рамки число оборотов, прибор обгоняет вращающуюся Землю. Наблюдатели регистрируют это движение по отклонению стрелки от начального положения. Таким образом обнаруживается вращение Земли и направление этого движения против часовой стрелки. Весь процесс, включая завод маятника, занимает не более 4-5 минут.
Действие прибора основано на известном в физике законе сохранения момента количества движения в случае вращения тел. Согласно этому закону, произведение веса каждой частицы тела на расстояние от оси вращения и на скорость должно оставаться постоянным. В нашем приборе расстояние грузов на стержне от вертикальной оси имеет наибольшее значение при горизонтальном положении стержня, то есть в момент пережигания нити, и наименьшее значение в то время, когда он проходит через вертикаль. До пережигания нити стержень, участвуя во вращении Земли, имеет угловую скорость относительно вертикальной оси, равную скорости вращения Земли. После того как нить пережигается, расстояние грузов от вертикальной оси меняется, но остается всегда меньше, чем при пуске прибора. Поэтому такое уменьшение расстояния сопровождается увеличением угловой скорости грузов и всего прибора относительно Земли. В результате прибор обгоняет Землю и поворачивается вокруг вертикальной оси на некоторый угол, указываемый стрелкой.
При высоте в 2400 миллиметров и весе 9 килограммов (в том числе вес грузов 3 килограмма) скорость вращения рамки прибора превышает скорость вращения Земли примерно в 15 раз. Это значит, что при непрерывном вращении стержня с грузами, например, от электродвигателя, рамка прибора на широте Ленинграда сделает в сутки полных 13 оборотов. При увеличении высоты до 3000 миллиметров с соответственным увеличением веса грузов скорость вращения прибора превысит скорость вращения Земли примерно в 25 раз, что еще более увеличит наглядность опыта.
Вращающийся маятник выгодно отличается от маятника Фуко своими незначительными размерами, позволяющими устанавливать его в небольшом помещении, краткостью времени, в течение которого влияние суточного вращения Земли на прибор становится заметным наблюдателям, и, наконец, его невысокой стоимостью. Однако вращающийся маятник неудобен тем, что его необходимо заводить перед пуском. Это может быть устранено заменой пружинного привода электродвигателем.
Разработанный нами другой прибор - качающийся маятник - основан на принципе действия вращающегося маятника, но отличается от него отсутствием пружин. Кроме того одинаковые грузы в нем заменены грузами разного веса. Перед демонстрацией стержень с грузами также привязывают нитью к рамке, затем нить пережигают, и прибор действует аналогично вращающемуся маятнику. Его отличие от маятника Фуко заключается в том, что он имеет негибкий стержень, который может качаться лишь в плоскости рамы, поэтому вращение Земли вызывает вращение всей рамы в центрах, вокруг вертикальной оси.
Вращающийся и качающийся маятники нашей конструкции установлены и демонстрируются в Московском планетарии.
Следует отметить, что эти приборы позволяют непосредственно измерить силы, возникающие при движении всех тел на вращающейся Земле. Для того чтобы выполнить такое измерение, на вертикальную ось рамки прибора в направлении против часовой стрелки наматывается нить, которая затем перекидывается через блок. К концу нити привязывается гиря весом в 5-10 граммов. Таким образом на оси маятника создается дополнительный момент сил, увеличивающий эффект вращения Земли на прибор. Стрелка при работе прибора отклоняется на угол, значительно больший, чем при пуске без гири.
Затем та же нить наматывается на ось в направлении по часовой стрелке, и создается момент сил, уменьшающий эффект вращения Земли на прибор. Стрелка при этом отклоняется на угол, значительно меньший, чем при пуске с гирей в первом опыте. По разности углов отклонения стрелки и весу гири можно легко определить величину сил, возникающих от вращения Земли.