Маятник фуко

Модель маятника Фуко, расположенного в южном полушарии Земли

Ма́ятник Фуко́ — маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли.

Эксперимент Фуко

Впервые публичная демонстрация была осуществлена Фуко в 1851 г. в Парижском Пантеоне: 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.^[1]

Маятник Фуко в Парижском Пантеоне

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.

Физика эксперимента

Маятник Фуко является математическим маятником, такой маятник, отклонённый от равновесного положения, совершает колебания в плоскости, неподвижной в инерциальной системе отсчёта (в данном случае — системе отсчёта, «связанной» со звёздами). Наблюдатель, находящийся на Земле и вращающийся вместе с нею, находится в неинерциальной (вращающейся) системе отсчёта и будет видеть, что плоскость колебаний маятника медленно поворачивается относительно земной поверхности в сторону, противоположную направлению вращения Земли.

На Северном или Южном полюсе Земли (ось вращения Земли лежит в плоскости колебаний маятника) плоскость колебаний маятника Фуко совершает поворот на 360° за звёздные сутки (на 15° за звёздный час), на экваторе (ось вращения Земли перпендикулярна плоскости колебаний маятника) плоскость колебаний маятника Фуко неподвижна, в произвольной точке с географической широтой j (угол между осью вращения Земли и плоскостью колебаний маятника $\alpha = 90^\circ - j$) скорость вращения плоскости колебаний идеального маятника Фуко Ω_P (в градусах в звёздный час) относительно поверхности Земли составляет

Маятник Фуко на северном полюсе. Ось вращения Земли лежит в плоскости колебаний маятника

$\!\Omega_P = 15 \sin j.$

Для неидеального маятника Фуко скорость вращения плоскости колебаний зависит и от длины подвеса:

$\!\Omega_P = 15 [1 - \frac{3}{8} (a/l)^2] \sin j,$

где $~a$ — амплитуда колебаний груза маятника; $~l$ — длина нити. Поэтому для демонстраций применяют маятники с максимально возможной длиной подвеса; так, в Исаакиевском соборе в Ленинграде демонстрировался маятник Фуко на подвесе длиной 98 м.

Действующий маятник Фуко в настоящее время есть Санкт-Петербургском планетарии. Длина его нити —8 метров. ^[1]

Интересные факты

В одной из занимательных задач академика П. Л. Капицы предлагается решить следующую проблему:

Астрономические наблюдения показывают, что на планете Венера полная облачность, так что «жители» Венеры лишены возможности наблюдать небесные светила. Опишите, каким методом они могли бы точно измерить длину своих суток^[2]

Один из элементарных способов решения задачи это измерение длины суток при помощи маятника Фуко.^[3]

См. также

• Математический маятник
• Фуко, Жан Бернар Леон

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Маятник Фуко ссылка проверена 3 марта 2009
2. ↑ Капица П. Л. Физические задачи, М., «Знание», 1966 г., 16 с. ссылка проверена 3 марта 2009
3. ↑ Олимпиады по физике. Турнир им. Ломоносова 26.09.1999 ссылка проверена 3 марта 2009