Вращение земли маятник. Маятник фуко так назван, потому что он вращается сам, а не земля

Напомним, что маятник Фуко — это экспериментальный прибор, с помощью которого можно наглядно наблюдать суточное вращение Земли. Он представляет собой достаточно длинную (в оригинальной конструкции Жана Фуко длина составляла 67 м) стальную проволоку, на которую подвешен груз. С течением времени плоскость колебаний маятника изменяется, медленно поворачиваясь в сторону, противоположную направлению вращения Земли, причем географическое положение (широта) прибора влияет на скорость изменений.

Представить себе плоскость, неподвижную относительно звезд и, соответственно, вращающуюся относительно Земли, очень сложно. Слишком велика Земля, слишком привычна нам ее кажущаяся «плоскость», а почувствовать вращение на себе и вовсе невозможно. Маятник Фуко наглядно демонстрирует нам эффект суточного вращения, но, даже глядя на него, не всегда легко понять и принять его «показания».

Тарелка; три вилки; винная пробка; лайм или любой другой предмет схожих параметров, достаточно легко протыкаемый иголкой; две швейные иглы; катушка ниток; соль.

А представьте себе ситуацию: подходит к вам сын и спрашивает: папа, я тут прочитал про какой-то маятник Фуко, который доказывает, что Земля вертится, и ничего не понял. Можешь мне как-то попроще объяснить? Конечно, отвечаете вы и строите модель маятника прямо на кухне.

Лаймы и иголки

Построить модель можно практически из чего угодно, можно сделать ее красивее, больше, фотогеничнее. Мы предпочли использовать простые предметы, которые можно в считаные минуты найти почти на любой кухне. Не понадобится даже идти в магазин.


Если вращать тарелку равномерно (например, поставив на крутящийся диск), кончик нашего маятника опишет на соли фигуру, аналогичную фигуре, описываемой настоящим маятником Фуко.

Итак, тарелка, три вилки, две иголки, пробка, какой-либо груз (лайм, картофелина, маленькое яблоко), катушка ниток, соль. Тарелка исполняет роль Земли, а стол, на котором она стоит, — неподвижной системы координат, в которых Земля вращается (проще говоря — звезд). Из всего этого несложно соорудить конструкцию, изображенную на первом фото. Самое трудное — подобрать длину нити, чтобы кончик иголки едва-едва не касался поверхности тарелки. Очень важно соблюсти центровку, то есть проследить, чтобы кончик иглы вышел из самой серединки плода, который используется в качестве груза.

Затем мы запускаем систему — лучше всего оттянуть груз в сторону и отпустить. Маятник начинает колебаться. Если мы будем поворачивать тарелку вокруг оси, обнаружится, что маятник не поворачивается вместе с ней, а продолжает колебаться в постоянной плоскости! Соль в данном случае используется для наглядности — при повороте тарелки кончик иглы вычерчивает новую траекторию.


Чем длиннее нить, тем дольше маятник будет колебаться с достаточной амплитудой, чтобы за опытом было интересно наблюдать со стороны.

Теперь достаточно представить, что тарелка очень большая — диаметром с Землю. И она вертится, как по легенде говаривал Галилей, самостоятельно, подобно тому, как мы вращаем тарелку рукой. А маятник Фуко, спускаясь с купола Московского планетария или парижского Пантеона, выписывает затейливую фигуру, постоянно изменяя плоскость колебаний относительно Земли. Точнее, это Земля изменяет свою позицию относительно маятника. Как тарелка.

Адам Малуф из Принстона и Гален Халверсон из университета Поля Сабатье утверждают, что нашли свидетельство перебалансировки нашей планеты 800 миллионов лет назад. В это время изменили своё положение географические полюса.

За час наблюдений плоскость качаний маятника повернулась на угол в 11° по часовой стрелке. Полный же оборот плоскость маятника совершила за 32 часа.

В середине 20 века аналогичный маятник Фуко длиной 98 м был установлен в России в Исакиевском соборе Ленинграда. Публику несказанно удивлял эксперимент со спичечным коробком, который устанавливали чуть поодаль от плоскости вращения маятника. Через какое-то время укрепленный на шаре стержень приближался к коробку и сбивал его.

Плоскость качания маятника на нити сохраняется независимо от вращения основания, к которому подвешен маятник. Если поместить маятник Фуко на полюсе, то период вращения маятника там будет равен периоду обращения Земли вокруг своей оси – 24 часам. Период поворота оси маятника зависит от широты местности. На экваторе плоскость маятника вращаться не будет – период равен бесконечности.

Для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли во многих университетах, планетариях и библиотеках используют маятник Фуко. Я расскажу о храмах, в которых демонстрировали или демонстрируют сейчас этот опыт.


Пантеон, Париж
Французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868) впервые продемонстрировал свой эксперимент 8 января 1851 года. В погребе своего дома в Париже физик выполнил опыт с маятником длиной 2 метра. Эксперимент вызвал повышенный интерес и уже в марте того же года был осуществлен публично под куполом Пантеона в Париже.

В здании Пантеона учёный подвесил металлический шар массой 28 килограммов на стальной проволоке длиной 67 метров. В нижней части металлического шара было закреплено остриё. Крепление позволяло маятнику свободно колебаться во всех направлениях. Перед запуском маятник отводили в сторону и привязывали веревкой, которую потом пережигали - это позволяло избежать бокового толчка. Маятник раскачивался над огороженной площадкой диаметром 6 м. По диаметру площадки была насыпана песчаная дорожка, и маятник при движении остриём прочёркивал на песке отметки. Через несколько минут можно было заметить, что плоскость качания маятника изменилась.

Примерно за 32 часа маятник совершил полный оборот и очертил на песке траекторию своего вращения. С помощью этого эксперимента было наглядно продемонстрировано суточное вращение Земли. Опыт можно сделать ещё более зрелищным, если поставить у края траектории движения маятника какой-нибудь предмет, который будет сбит через некоторое время.

Каким же образом изменения плоскости колебания маятника доказывает вращение Земли? По законам физики, маятник не меняет плоскости своего раскачивания. Но песок или предметы, поставленные для эксперимента, вращаются вместе с поверхностью Земли в ходе её суточного кругового движения и в какой-то момент оказываются в плоскости качания маятника.

Чем длиннее нить, на которой подвешен металлический шар, тем больше поворот, совершаемый за один период. Соответственно при демонстрации работы маятника Фуко в очень высоких зданиях, например, в храмах, вращение Земли будет ощутимей, а сам эксперимент зрелищней.

На фотографии - современная копия маятника Фуко и каменная статуя египетской кошки. (Фото)

Фукусайдзи, Нагасаки
В японском городе Нагасаки на острове Кюсю находится необычный буддийский храмовой комплекс. Фукусайдзи основали китайские монахи из провинции Фуцзянь в 1628 году, но во время атомного взрыва 9 августа 1945 года он был уничтожен. Монастырь восстановили в память о погибших в 1979 году. Ежедневно ровно в 11-02, во время взрыва атомной бомбы, звонит храмовый колокол.

По форме храм-мавзолей похож на гигантскую черепаху, на панцире которой поставлена большая белая статуя богини милосердия Каннон. Скульптура высотой 18 метров и весом в 35 тонн выполнена из алюминиевого сплава.

В храме над останками 16 500 погибших во время Второй мировой войны подвешен маятник Фуко. 25-метровый трос находится внутри статуи.

На фотографии - интерьер храма. Трос маятника Фуко выходит из золотого отверстия в своде и спускается за металлическое ограждение на полу.


Фотографии: +

Базилика Сан-Петронио, Болонья
Пожалуй, самым подходящим местом для демонстрации маятника Фуко стал итальянский «город наук», где был основан старейший университет Европы (1088 год). Кафедральный собор Болоньи, посвящённый покровителю города святому епископу Петронию, строился несколько столетий, начиная с 1390 года. Базилика поражает своими размерами: длина здания 132 метра, ширина - 60 метров, высота сводов - 45 метров.

В соборе демонстрируют не только опыт Фуко (на фотографии на дальнем плане). Профессор астрономии Болонского университета Джованни Доменико Кассини (1625-1712) в 1665 году обозначил внутри собора, на полу, меридиан длиною в 66,8 м, на котором можно наблюдать движение солнечного луча через отверстие в крыше храма и отмечать дни и месяцы.



Фотографии: +

Костел святых Иоаннов, Вильнюс
Единственный в Литве маятник Фуко находится в католическом костёле. Названный в честь св. Иоанна Крестителя и св. евангелиста Иоанна, костёл был построен в XVIII веке по проекту Иоганна Кристофа Глаубица (1700-1767). Увидеть маятник можно в Музее науки, поднявшись на второй этаж 68-метровой колокольни.



Фотографии: +

Софийский собор, Вологда.
В России в советское время первый показ опыта Фуко был подготовлен Госмузеем, Союзом воинствующих безбожников и Обществом краеведов. Демонстрация состоялась во время антипасхальной кампании 1929 года в Софийском соборе Вологды. В здании была устроена антирелигиозная выставка, и маятник стал одним из её экспонатов. 18-метровая нить была подвешена к металлическим связям в интерьере. (Фотография 1917-1950 г.)

Исаакиевский собор, Санкт-Петербург
В пасхальную ночь с 11 на 12 апреля 1931 года в Исаакиевском соборе был продемонстрирован маятник Жана Фуко. Тысячи зрителей стали свидетелями научного триумфа. Бронзовый шар, подвешенный к куполу, был приведён в действие для наглядной демонстрации вращения Земли. Длина нити была 98 м - самой длинной за всю историю демонстрации опыта.

Маятник сняли в 1986 году, а в центр купола, где раньше крепился трос, вернули скульптуру голубя - символ Святого Духа. Сейчас маятник Фуко хранится в подвале Исаакиевского собора, в мемориальной экспозиции «Чтобы помнили».

В журнале «Мир музея» (№10, 2016 г.) сказано, что ещё в 1901 году в кафедральном соборе св. Исаакия Далматского демонстрировали опыт Жана Фуко. Но не в центре, под куполом, а своде боковой арки.

Вид на площадь Декабристов и Исаакиевский собор. 1930-1936 гг.

Экспозиция Государственного антирелигиозного музея в здании Исаакиевского собора. Ленинград, 1931 г.
Школьники у модели, объясняющей опыт с маятником Фуко. Государственный антирелигиозный музей. 1930-е гг.
Экспозиция Государственного антирелигиозного музея. 1930-е гг. Модель, помогавшая понять суть опыта.


В той же статье местом проведения опыта указан и снесённый в советское время Андреевский собор Кронштадта . Опыт в нём продемонстрировали в конце первого десятилетия XX века.

Тот факт, что Земля вращается вокруг своей оси, сегодня известен каждому школьнику. Однако не всегда люди были убеждены в этом: обнаружить вращение Земли, находясь на ее поверхности, достаточно трудно. Конечно, можно догадываться, что суточное движение небесных тел по небесной сфере – это и есть проявление вращения Земли. Но видится нам это явление именно как движение Солнца и звезд по небу.

В середине XIX века Жан Бернард Леон Фуко смог провести опыт, который демонстрирует вращение Земли достаточно наглядно. Опыт этот был проведен неоднократно, а публично сам экспериментатор представил его в 1851 году в здании Пантеона в Париже.

Здание Парижского Пантеона в центре венчает громадный купол, к которому была прикреплена стальная проволока длиной 67 м. К этой проволоке подвесили массивный металлический шар. По разным источникам, масса шара составляла от 25 до 28 кг. Проволока крепилась к куполу таким образом, чтобы получившийся маятник мог качаться в любой плоскости.

Маятник совершал колебания над круглым постаментом диаметром 6 м, по краю которого был насыпан валик из песка. При каждом качании маятника острый стержень, укрепленный на шаре снизу, оставлял на валике отметку, сметая с ограждения песок.

Для того, чтобы исключить влияние подвеса на маятник Фуко, применяют специальные подвесы (рис. 4). А для того, чтобы избежать бокового толчка (то есть, чтобы маятник качался строго в плоскости), шар отводят в сторону, привязывают к стене, а затем пережигают веревку.

Период колебаний маятника, как известно, может быть рассчитан по формуле:

Подставляя в эту формулу длину маятника l = 67 м и значение ускорения свободного падения g = 9,8 м/с 2 , получаем, что период колебаний маятника в опыте Фуко составлял T ≈ 16,4 с.

По прошествии каждого периода новая отметка, производимая острием стержня на песке, оказывалась примерно в 3 мм от предыдущей. За первый час наблюдений плоскость качаний маятника повернулась на угол около 11° по часовой стрелке. Полный же оборот плоскость маятника совершила примерно за 32 часа.

Опыт Фуко производил огромное впечатление на наблюдавших его людей, которые будто бы непосредственно ощущали движение земного шара. Среди зрителей, наблюдавших опыт, был и Л. Бонапарт, через год провозглашенный императором Франции Наполеоном III. За проведение опыта с маятником Фуко был удостоен Ордена Почетного легиона – высшей награды Франции.

В России маятник Фуко длиной 98 м был установлен в Исакиевском соборе в Ленинграде. Обычно показывался такой удивительный эксперимент – устанавливался на полу спичечный коробок чуть поодаль от плоскости вращения маятника. Пока гид рассказывал о маятнике, плоскость его вращения поворачивалась и стержень, укрепленный на шаре, сбивал коробок.

В основу опыта был положен уже известный в то время экспериментальный факт: плоскость качания маятника на нити сохраняется независимо от вращения основания, к которому подвешен маятник. Маятник стремится сохранить параметры движения в инерциальной системе отсчета, плоскость которой неподвижна относительно звезд. Если поместить маятник Фуко на полюсе, то при вращении Земли плоскость маятника будет оставаться неизменной, и наблюдатели, вращающиеся вместе с планетой, должны видеть, как плоскость качаний маятника поворачивается без воздействия на него каких-либо сил. Таким образом, период вращения маятника на полюсе равен периоду обращения Земли вокруг своей оси – 24 часам. На других широтах период будет несколько больше, т. к. на маятник действуют силы инерции, возникающие во вращающихся системах – силы Кориолиса. На экваторе плоскость маятника вращаться не будет – период равен бесконечности.

Мы все больше интересовались тем, что связано с маятниками. Во время одного телефонного разговора, продолжавшегося более часа, мы подробно обсудили идею о том, что движение маятника может отражать действие еще неизвестного закона астрофизики. Мы рассмотрели разные смелые гипотезы – от стоячих синусоидальных электромагнитных волн до гироскопического эффекта вращения Земли и даже теории гравитонов, содержащих пакеты информации о геометрической форме объектов. Но мы сошлись на том, что у нас недостаточно сведений даже для того, чтобы приступить к изучению подобных гипотез. В черновике этой главы Крис подытожил наше общее впечатление о результате дискуссии:

«Приходится признать, что мы до сих пор не понимаем, почему это происходит. Однако использование маятника в связи с древними системами мер и весов соответствует некой физической реальности, существующей на Земле. Каждый маятник реагирует на массу Земли, но некоторые ритмы вызывают определенную „гармоническую“ реакцию, связанную с массой и скоростью вращения нашей планеты».

Но в какой-то момент все изменилось.

На следующий день в 5 часов утра после бессонной ночи Крис решил заварить себе чаю. Именно тогда его посетил «библиотечный ангел» («Библиотечный ангел» – термин, используемый учеными для описания тех странных моментов, когда искомая информация как будто сама находит их. Разумеется, это вероятностный процесс, поскольку, когда вы работаете с большим объемом материала, вам время от времени должно везти.). Собираясь почитать перед завтраком, он снял упаковку с журнала, пришедшего по почте в предыдущий день, и раскрыл его. Главная тематическая статья в этом выпуске журнала «Нью Сайентист» была озаглавлена: «Тень над гравитацией». Название звучало интересно даже темным ноябрьским утром.

Но Крис быстро осознал, что в статье содержится нечто гораздо более важное. Уже в первом абзаце, содержавшем впечатления очевидца полного солнечного затмения, было сказано, что такие затмения оказывают значительный эффект на действия маятников. Шла бурная дискуссия о причинах этого явления, в рамках которой было выдвинуто предположение, что маятники могут оказаться ключом к замочной скважине теории относительности Альберта Эйнштейна.

В статье рассматривалась работа Жана-Бернара Леона Фуко, который продемонстрировал особые качества маятников во время международной выставки в Лондоне в 1851 г. Его маятник, который теперь называют маятником Фуко, представляет собой очень тяжелый груз, прикрепленный к очень длинному тросу, свисающему с потолка очень высокого здания. Маятник может свободно вращаться вокруг неподвижной точки, описывая медленную дугу в любом направлении. Гигантские маятники такого рода сейчас являются обычными экспонатами в некоторых крупных музеях, включая Смитсониановский музей в Вашингтоне и Музей науки в Лондоне.

После того как маятник Фуко приведен в движение, направление его раскачивания вращается со скоростью примерно 12° в час, но на самом деле это иллюзия, поскольку наблюдатель движется вместе с остальным миром, а маятник сохраняет фиксированную позицию колебаний по отношению к окружающей Вселенной. Это происходит потому, что маятник не зависит от движения Земли, вращающейся под ним, из-за чего возникает впечатление, будто колебание маятника изменяет направление. Сами колебания происходят потому, что гравитационное поле Земли постоянно воздействует на маятник. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, это непрерывное воздействие обусловлено тем фактом, что любая масса искривляет ткань пространства – времени вокруг него, заставляя другие массы соскальзывать во «впадину», которую она создает в структуре пространства – времени.

Скорость вращения маятника Фуко зависит от широты. На Северном полюсе Земли кажется, будто маятник совершает полный оборот на 360° за каждый оборот Земли (т. е. каждый звездный день), так как планета под ним совершает полный оборот. В Северном полушарии на широте Британских островов скорость вращения уменьшается примерно до 280° в день и продолжает уменьшаться при приближении к экватору, где маятник Фуко вообще не вращается.

В течение ста лет все знали, что маятник Фуко вращается совершенно предсказуемым образом в любом конкретном месте земной поверхности. В 1954 г. французский инженер, экономист и будущий физик Морис Аллэ обнаружил, что так бывает не всегда. Он проводил эксперимент с целью изучения возможной связи между магнетизмом и тяготением. В ходе этого эксперимента он высвобождал маятник Фуко на 14 минут в течение 30 суток и регистрировал направление движения в градусах. По чистой случайности в один из этих дней произошло солнечное затмение.

Каждый раз маятник двигался с механической точностью, но 30 июня 1954 г., когда произошло частичное солнечное затмение, один из ассистентов Аллэ заметил, что маятник как будто сорвался с цепи. После начала затмения плоскость колебания маятника внезапно начала вращаться в обратном направлении. Отклонение достигло максимального значения за 20 минут до максимума солнечного затмения, когда Луна закрыла значительную часть солнечной поверхности, и вернулось к норме после окончания затмения. Казалось, что колебания маятника каким-то образом связаны со взаимным расположением Земли, Луны и Солнца.

Это было поразительно и совершенно необъяснимо. Эксперимент Аллэ проводился в помещении, куда не проникал солнечный свет, поэтому было непонятно, каким образом затмение могло прямо повлиять на него. Сам Аллэ затруднился объяснить, что произошло, но когда он провел уточненный вариант своего эксперимента в июне и июле 1958 г. с двумя маятниками, отстоящими друг от друга на 6 км, он обнаружил сходный эффект. Во время частичного солнечного затмения 22 октября 1959 г. Аллэ снова наблюдал такое же хаотическое вращение, но на этот раз о сходных наблюдениях сообщили трое румынских ученых, ничего не знавших о его работе.

Многие усомнились в его результатах главным образом потому, что ученым не нравятся необъяснимые вещи. Многие другие повторили эксперимент с противоречивыми результатами: некоторые не обнаружили никакого эффекта, поддающегося измерению, но большинство подтвердили результат в разных местах, включая одну подземную лабораторию.

Интересно заметить, что в 1988 г. Аллэ получил Нобелевскую премию в области экономики. Подобно Александру Тому и многим другим разрушителям научных парадигм, он совершил крупное открытие, работая за пределами своей главной области исследований. Поступками замечательных людей движет любопытство, не скованное формальностями традиционного образования.

Аллэ с сожалением говорит о противодействии, с которым приходится сталкиваться каждому первооткрывателю: «Любое революционное открытие в истории науки встречается с очень сильным противодействием… Релятивисты говорят, что я неправ, но не предоставляют никаких доказательств. Большинство из них даже не читали моих работ».

В 1970 г. Эрвин Сашл и Милдред Аллсн из Маунт-колледжа в штате Массачусетс изучили поведение маятника до, во время и после полного солнечного затмения. Их эксперимент несколько отличался от предыдущих, так как они пользовались торсионным маятником, который представляет собой массивный диск, подвешенный на проводе, прикрепленном к его центру. Вращение диска приводит к закручиванию провода. При высвобождении диск начинает вращаться сначала по часовой стрелке, а затем против часовой стрелки с определенными интервалами. Но во время полного затмения движение маятника заметно ускорилось. Ученые пришли к выводу, что теория гравитации нуждается в поправках.

В 1995 г. индийские ученые Д.К. Мишра и М.Б. Рао из Национального института геофизических исследований в Хайдарабаде наблюдали незначительное, но внезапное уменьшение силы тяготения при использовании крайне чувствительного и точного гравиметра во время солнечного затмения. Однако их результаты были неоднозначными. 22 июля 1990 г. во время солнечного затмения над Хельсинки финские геофизики не обнаружили возмущений в обычном движении маятника, однако в марте 1997 г. ученые наблюдали гравиметрические аномалии во время затмения в отдаленном районе Северо-Восточного Китая.

Тайна остается тайной, но ни одно научное учреждение не хочет тратить время и деньги для глубокого изучения этого феномена. Однако Томас Гуди, независимый исследователь из Брентфорда в Англии, решил самостоятельно изучить «эффект Аллэ» с использованием нескольких маятников во время затмения. Поскольку современное оборудование является гораздо более точным и чувствительным, чем существовавшее в 1954 г. (точность измерений возросла с 20 до 100 раз), он уверен в получении четких результатов.

В следующие несколько лет Гуди планирует объехать весь мир с 12 маятниками специальной конструкции. В мае 2004 г. он представил свой план на совещании Общества научных исследований в Лас-Вегасе и пригласил физиков присоединиться к нему. Как сообщается в статье журнала «Нью Сайентист», несколько специалистов воспользовались этой возможностью.

Гуди полагает, что аномалии возникают в тех случаях, когда наблюдатели находятся рядом с линией, соединяющей центры масс Солнца и Луны. Во время полного солнечного затмения линия Луна – Солнце пересекает поверхность Земли в двух точках, например, на противоположных сторонах земного шара. Эта теория объясняет, почему эксперимент во время солнечного затмения в Хельсинки не привел к желаемому результату. Гуди считает, что наблюдения в точке «антизатмения», где затмения не видно, могут обладать значительно большей ценностью.

Мы с интересом ожидаем завершения этого эксперимента. Надеемся, мы были правы в своем предположении, что маятники позволяют многое узнать о природе тяготения нашей планеты и ее гравитационных взаимоотношениях с Луной и Солнцем. Возможно ли, что Луна, закрывающая солнечный диск, служит экраном для непрерывного взаимодействия между Землей и Солнцем? Возможно ли, что, когда все три центра масс оказываются на одной линии, происходит еще неизвестное явление, имеющее физическую природу?

Древние строители, которые изобрели мегалитический ярд и способ его измерения, могли обладать гораздо более глубоким пониманием маятникового эффекта, чем мы. Наши недавние открытия указывают на то, что они хорошо разбирались во взаимосвязи между Землей, Луной и Солнцем.



 

Возможно, будет полезно почитать: