Маятник Фуко
Ма́ятник Фуко́ — маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли. Наличие суточного вращения ответственно за постепенный поворот плоскости колебаний маятника. Впервые эффект продемонстрирован Л. Фуко (1851 год), в настоящее время в мире имеются действующие маятники Фуко, используемые в демонстрационных целях.
Маятник Фуко | |
---|---|
![]() Маятник Фуко в парижском Пантеоне | |
![]() | |
Названо в честь | Жак Бернар Леон Фуко |
![]() |
Эксперименты самого Фуко
Французский физик и астроном Леон Фуко (Léon Foucault) впервые осуществил свой эксперимент в 2 часа ночи 8 января 1851 года в погребе своего дома на углу улиц Асса́ и Вожира́р в Париже. Для этого был использован маятник длиной 2 метра. В феврале с разрешения Доминика Франсуа Араго он повторил опыт в Парижской обсерватории, на этот раз удлинив маятник до 11 метров. В подготовке эксперимента принимал также участие ассистент Фуко, Фромент[1].
Первая публичная демонстрация была осуществлена уже в марте 1851 года 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 м, 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[2].
Период колебания маятника при такой длине подвеса составлял 16,4 секунды, при каждом колебании отклонение от предыдущего пересечения песчаной дорожки составляло около 3 мм, за час плоскость колебаний маятника поворачивалась более чем на 11° по часовой стрелке, то есть примерно за 32 часа совершала полный оборот и возвращалась в прежнее положение.
Физические основы эффекта


Маятник Фуко является математическим маятником, плоскость колебаний которого медленно поворачивается относительно земной поверхности в сторону, противоположную направлению вращения Земли. Смещение маятника, установленного в произвольной точке на Земле, можно объяснить действием силы Кориолиса, которая максимальна на полюсе и отсутствует на экваторе[3]. Чем меньше широта местности, тем меньше скорость отклонения маятника.
Примечание. В популярной литературе распространено ошибочное объяснение, согласно которому маятник якобы совершает колебания в плоскости, неподвижной в инерциальной системе отсчёта (в данном случае — системе отсчёта, «связанной» со звёздами), и именно поэтому с точки зрения наблюдателя, находящегося на Земле и вращающегося вместе с нею, плоскость качания будет вращаться. В действительности же ориентация плоскости качания остаётся неподвижной относительно звёзд только для маятника на одном из полюсов.
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 (угол между осью вращения Земли и плоскостью колебаний маятника ) скорость вращения плоскости колебаний идеального маятника Фуко (в градусах в звёздный час) относительно поверхности Земли составляет
Для неидеального маятника Фуко скорость вращения плоскости колебаний зависит и от длины подвеса:
где — амплитуда колебаний груза маятника; — длина нити.
Поскольку период колебаний зависит от длины подвеса (), то увеличение длины нити увеличивает угол поворота, совершаемого плоскостью вращения за один период, что и используют при демонстрации. Так, в Исаакиевском соборе в Ленинграде с 1931 по 1986 год демонстрировался маятник Фуко на подвесе длиной 98 м[4][5][6].
Действующие маятники Фуко
- В Париже есть минимум два маятника Фуко: в Пантеоне и в Музее искусств и ремёсел.
- В Польском городе Фромборк имеется действующий маятник Фуко: в Башне Коперника.
- Крупнейшие маятники Фуко в СНГ (упорядочены по убыванию длины подвеса)
Некоторые любопытные факты
- Наблюдение за маятником Фуко является одним из способов решения занимательной задачи П. Л. Капицы об определении длины суток на Венере при постоянной облачности[21]. Текст задачи:
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.[22]
- В Исаакиевском соборе в Ленинграде маятник Фуко был запущен в ночь с 11 на 12 апреля 1931 года и снят в 1986 году, сейчас хранится в подвалах собора[4][5]. Длина нити этого маятника — 98 м.
- Опыты Фуко в Пантеоне проводились по просьбе президента Второй республики Луи Бонапарта (будущего Наполеона III)[23]; о документальных доказательствах благословения демонстраций Фуко со стороны папы (на тот момент Пия IX) неизвестно.
См. также
Примечания
- G. Barenboim, J. A. Oteo. One pendulum to run them all (англ.). — 2013. — arXiv:1304.7922.
- Маятник Фуко (недоступная ссылка). Дата обращения: 3 марта 2009. Архивировано 31 октября 2008 года.
- Маятник Фуко в Исаакиевском соборе на YouTube // Киевнаучфильм, 1979 год
- National Geographic Россия: Пять храмов с маятниками Фуко (недоступная ссылка). Дата обращения: 2 февраля 2015. Архивировано 2 февраля 2015 года.
- Хочу знать: маятник Фуко
- Фуко маятник // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
- В Киеве впервые запустили один из крупнейших в Европе маятников Фуко
- День российской науки в Мурманской областной научной библиотеке
- Информация о маятнике Фуко в Техническом университете Молдовы.
- Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2010. № 3. С.11-13
- Московский планетарий сегодня (недоступная ссылка). Дата обращения: 19 сентября 2011. Архивировано 7 октября 2011 года.
- Маятник Фуко: Vseon.com
- В МГУ запущен маятник Фуко // Газета студентов Московского университета «Шпиль», 23.09.2013 (недоступная ссылка)
- Маятник Фуко в средней школе № 69 г. Гомеля
- Василий Лисицкий. Впервые в Йошкар-Оле запустили маятник Фуко, Марийская правда (5 октября 2017). Дата обращения 5 октября 2017.
- Волгоградский планетарий на сайте Волгоградский спутник
- Маятник Фуко . Минск старый и новый. Дата обращения: 5 октября 2017.
- Сергей Кирик. И всё-таки она вертится!.. (недоступная ссылка). Белорусская военная газета (28 января 2017). Дата обращения: 5 октября 2017. Архивировано 6 октября 2017 года.
- В ДонНТУ запущен маятник Фуко (недоступная ссылка — история ). Министерство образования и науки Донецкой Народной Республики (17 апреля 2018).
- Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова. Кафедра «Физика»
- Олимпиады по физике. Турнир им. Ломоносова 26.09.1999 . Дата обращения: 4 марта 2010.
- Капица П. Л. Физические задачи. — М.: «Знание», 1966. — 16 с.
- Crease R. P. The prism and the pendulum. The ten most beautiful experiments in science Архивная копия от 27 сентября 2013 на Wayback Machine