Юный техник, 2015 № 07

ВМЕСТЕ С ДРУЗЬЯМИ Маятник Фуко

Вообще-то поначалу Фуко экспериментировал в погребе своего дома в Париже с маятником длиной 2 м. Эксперимент вызвал повышенный интерес и вскоре был повторен публично. Под куполом Пантеона на стальной проволоке длиной в 67 м был подвешен 28-кг груз с острием. Вокруг маятника оградили круг, по периметру которого насыпали песок. Качаясь, маятник постепенно смещался, очерчивая на песке траекторию своего вращения. С помощью этого эксперимента было наглядно продемонстрировано суточное вращение Земли.

К слову, в Московском планетарии, где тоже установлен маятник Фуко (длина нити 16 м, масса шара — 50 кг), проводят более зрелищный эксперимент. У края траектории движения маятника ставят какой-нибудь предмет. Маятник в ходе эксперимента постепенно изменяет плоскость вращения и в какой-то момент, наконец, этот предмет сбивает.

В апреле 1931 года маятник Фуко был установлен в Исаакиевском соборе Ленинграда. Около 7 тыс. зрителей стали свидетелями научного триумфа, когда бронзовый шар, подвешенный к куполу, был приведен в действие для наглядной демонстрации вращения Земли. Маятник сняли в 1986 году.

Еще один 25-метровый маятник Фуко есть в портовом японском городе Нагасаки на острове Кюсю, а самым подходящим, пожалуй, местом для демонстрации маятника Фуко стал итальянский «город наук» Болонья, где был основан старейший университет Европы (1088 год). В Кафедральном соборе города, под сводом высотой 45 м, тоже подвешен маятник. Наконец, еще один есть в Вильнюсском государственном университете, в местном музее науки.

Каким же образом изменения плоскости вращения маятника доказывали вращение Земли? На самом деле все просто. Маятник в действительности не вращается — по законам физики, маятники не меняют плоскости своего раскачивания. А изменение плоскости вращения в ходе эксперимента наблюдается потому, что наблюдатели вращаются вместе с поверхностью Земли в ходе ее суточного кругового движения.

А чтобы опыт получился как можно более зрелищным, металлический шар надо подвешивать на возможно более длинной нити. Неплохо было бы, например, подвесить на прочном шнуре, один конец которого закреплен под потолком спортзала, а к другому привязана массивная гиря.

Так, говорят, выглядел эксперимент, проведенный самим Ж. Фуко.

Впрочем, опыты с маятником вы вполне можете провести и у себя дома, полагает известный экспериментатор Ф. Рабиза. Начнем мы вот с чего.

Привяжите к карандашу нитку с грузиком — например, с гайкой. Положите на стол линейку и, держа карандаш горизонтально, подтолкните маятник, чтобы он качался вдоль линейки. Начните постепенно поворачивать карандаш в горизонтальной плоскости. Вы убедитесь, что поворот карандаша не повлиял на маятник, он будет по-прежнему качаться вдоль линейки. Во время этого опыта не должно быть ветра или сквозняка, которые могли бы оказать влияние на маятник.

Модель маятника Фуко можно сделать еще и так. Переверните вверх ногами кухонную табуретку. Укрепите на концах двух ее ножек, по диагонали, деревянную палку или металлическую трубку, а к середине ее привяжите маятник. Заставьте его качаться так, чтобы плоскость качания проходила между ножек табуретки. Медленно поворачивайте табуретку вокруг ее вертикальной оси, и вы заметите, что теперь маятник качается уже в другом направлении.

На самом деле он качается все так же, а изменение произошло из-за поворота самой табуретки, которая в данном опыте играет роль нашей Земли.

Кстати, колебания маятника можно складывать и вычитать. Если они направлены в одну сторону, то получаются колебания, размах которых равняется сумме размахов слагаемых колебаний. Если же направления колебаний одинакового размаха противоположны, то колебания вычитаются друг из друга и прекращаются. Мы с вами будем складывать два взаимно перпендикулярных колебания, сообщив их одному маятнику.

Опыт 1. Подвесьте маятник в таком месте, чтобы его колебаниям ничто не мешало (например, в дверном проеме). Отклоните его вправо и, перед тем как отпустить, толкните вперед. Маятник получит сразу два направления движения: ему надо качаться справа налево и одновременно вперед и назад, поскольку вы его так толкнули. Направления колебаний перпендикулярны друг другу, они складываются, и маятник будет описывать эллипсы или даже окружности.

Еще один вариант маятника

Опыт 2. Возьмите велосипедную или длинную вязальную спицу или прямой кусок металлической проволоки примерно такой же толщины и длины. Зажмите ее конец в тисках или между двумя деревянными брусками. Спица (или проволока) должна быть в вертикальном положении. На свободный ее конец наденьте кусочек резиновой трубки со вставленным в нее (наполовину) блестящим стальным шариком от шарикового подшипника.

Опыт будем наблюдать сверху, поэтому позаботьтесь, чтобы шарик на спице был хорошо освещен.

Если вы немного отклоните спицу и отпустите ее, она начнет колебаться, блик на шарике будет описывать эллипсы. Почему же эллипсы, а не прямую линию? Дело в том, что, отклонив и отпустив спицу, вы, скорее всего, сами того не замечая, сообщили ей сразу два направления колебаний.

Впрочем, потренировавшись, можно добиться, чтобы блик шарика при отпускании спицы чертил только короткую прямую линию. Когда вы этого добьетесь, ударьте по спице, поперек ее колебаний, деревянной палочкой. Шарик сразу начнет описывать эллипсы. Это наглядный результат сложения двух перпендикулярных колебаний.