Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Experiențe » Experimente faimoase: Pendulul Foucault, pentru rotația Pământului

Experimente faimoase: Pendulul Foucault, pentru rotația Pământului

Pendulul lui Foucault în Pantheon, Paris
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Panth%C3%A9on_Pendule_de_Foucault2.JPG

(Pendulul lui Foucault în Pantheon, Paris. )

Pendulul lui Foucault, sau Pendulul Foucault, este un dispozitiv simplu numit după fizicianul francez Léon Foucault și conceput ca un experiment pentru a demonstra rotația Pământului. Pendulul a fost introdus în 1851 și a fost primul experiment care a oferit dovezi simple și directe ale rotației Pământului. Pendulele Foucault de astăzi sunt expoziții populare în muzeele științifice și universități.

Pendulul Foucault original

Pendulul Foucault(Un desen al pendulului Foucault, 1895)

Prima demonstrație publică a unui pendul Foucault a avut loc în februarie 1851 în Meridianul Observatorului din Paris. Câteva săptămâni mai târziu, Foucault și-a făcut cel mai faimos pendul atunci când a suspendat o bilă de plumb acoperit cu alamă de 28 de kilograme cu un fir de 67 de metri lungime de cupola Pantheonului, Paris. Perioada pendulului a fost de 2π√(l/g) = 16,5 secunde. Deoarece latitudinea locației sale a fost ϕ = 48° 52′ N, planul oscilației pendulului a făcut un cerc complet în aproximativ 23 h 56′ sin⁡ϕ = 31,8 ore (31 ore 50 minute), rotindu-se în sensul acelor de ceasornic aproximativ 11,3° pe oră.

Bila originală folosită în 1851 la Panthéon a fost mutată în 1855 la Conservatoire des Arts et Métiers din Paris. O a doua instalare temporară a fost făcută pentru a 50-a aniversare în 1902.

În timpul reconstrucției muzeului din anii 1990, pendulul original a fost expus temporar la Panthéon (1995), dar a fost returnat mai târziu la Musée des Arts et Métiers înainte de a se redeschide în 2000. La 6 aprilie 2010, cablul de suspendare a bilei în Musée des Arts et Métiers s-a rupt, provocând daune ireparabile bilei pendulului și podelei de marmură a muzeului. Bila pendulului original, acum deteriorat, este afișată într-o carcasă separată adiacentă expunerii pendulului curent.

O copie exactă a pendulului original funcționează sub cupola Pantheonului, Paris din 1995.

Explicația mecanică

La Polul Nord Geografic sau la Polul Sud Geografic, planul de oscilație al unui pendul rămâne fix față de masele îndepărtate ale universului în timp ce Pământul se rotește sub el, necesitând o zi siderală pentru a finaliza o rotație. Deci, relativ la Pământ, planul de oscilație al unui pendul de la Polul Nord – privit de sus – suferă o rotație completă în sensul acelor de ceasornic pe parcursul unei zile; un pendul la Polul Sud se rotește în sens invers acelor de ceasornic.

Când un pendul Foucault este suspendat la ecuator, planul de oscilație rămâne fix față de Pământ. La alte latitudini, planul oscilației precesează față de Pământ, dar mai încet decât la pol; viteza unghiulară, ω (măsurată în grade în sensul acelor de ceasornic pe zi siderală), este proporțională cu sinusul latitudinii, φ:

ω = 360°sin⁡φ/zi,

unde latitudinile de la nord și sud de ecuator sunt definite ca pozitive și respectiv negative. De exemplu, un pendul Foucault la 30° latitudine sudică, privit de sus de un observator legat de pământ, se rotește în sens invers acelor de ceasornic cu 360° în două zile.

Pentru a demonstra rotația direct mai degrabă decât indirect prin pendulul oscilant, Foucault a folosit un giroscop într-un experiment din 1852. Cardanul interior al giroscopului Foucault a fost echilibrat pe lagărele cuțitului de pe cardanul exterior, iar cardanul exterior a fost suspendat de un fir fin, fără torsiune, astfel încât punctul de pivot inferior să nu aibă aproape nici o greutate. Giroscopului i s-a imprimat o rotație de 9.000-12.000 de rotații pe minut cu un aranjament de angrenaje înainte de a fi plasat în poziție, fiind suficient timp pentru a echilibra giroscopul și a efectua 10 minute de experimentare. Instrumentul poate fi observat fie cu un microscop care vizualizează o scară de o zecime de grad, fie printr-un indicator lung. Cel puțin încă trei copii ale unui giroscop Foucault au fost realizate în cutii de călătorie și de demonstrație adaptate, iar copiile supraviețuiesc în Marea Britanie, Franța și SUA.

Un pendul Foucault necesită îngrijire pentru configurare, deoarece construcția imprecisă poate provoca o virare suplimentară care maschează efectul terestru. După cum a observat mai târziu laureatul Nobel Heike Kamerlingh Onnes, care a dezvoltat o teorie mai completă a pendulului Foucault pentru teza sa de doctorat (1879), imperfecțiunea geometrică a sistemului sau elasticitatea firului suport poate provoca o interferență între două moduri orizontale de oscilație, care au făcut ca Pendulul lui Onnes să treacă de la oscilația liniară la cea eliptică într-o oră. Lansarea inițială a pendulului este, de asemenea, critică; modalitatea tradițională de a face acest lucru este de a folosi o flacără pentru a arde un fir care ține temporar bila în poziția sa inițială, evitând astfel mișcările laterale nedorite.

În special, virarea pendulului a fost observată deja în 1661 de Vincenzo Viviani, un discipol al lui Galileo, dar nu există dovezi că el ar fi conectat efectul cu rotația Pământului; mai degrabă, el a considerat-o ca o pacoste în studiul său, care ar trebui depășită cu suspendarea bilei pe două frânghii în loc de una.

Rezistența la aer amortizează oscilația, astfel încât unele pendule Foucault din muzee încorporează o acțiune electromagnetică sau de altă natură pentru a menține bila în balans; altele sunt repornite în mod regulat, uneori cu o ceremonie de lansare ca o atracție suplimentară. În afară de rezistența la aer, cealaltă problemă de inginerie principală în crearea unui pendul Foucault de 1 metru în zilele noastre se spune că exclude o direcție preferată de oscilație.

O „zi de pendulare” este timpul necesar pentru ca planul unui pendul Foucault suspendat liber să finalizeze o rotație aparentă în jurul verticalei locale. Aceasta este o zi siderală împărțită la sinusul latitudinii.

Sisteme fizice conexe

Dispozitivul Foucault descris de Wheatstone
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Wheatstone_Foucault_device_256x256.png

(Dispozitivul descris de Wheatstone. )

Multe sisteme fizice precesează într-un mod similar cu un pendul Foucault. Încă din 1836, matematicianul scoțian Edward Sang a inventat și a explicat precesiunea unui titirez. În 1851, Charles Wheatstone a descris un aparat care constă dintr-un arc vibrant care este montat deasupra unui disc, astfel încât să facă un unghi fix φ cu discul. Arcul este lovit astfel încât să oscileze într-un plan. Când discul este rotit, planul oscilației se schimbă la fel ca cel al unui pendul Foucault la latitudinea φ.

În mod similar, se poate lua în considerare o roată de bicicletă fără rotație, perfect echilibrată, montată pe un disc, astfel încât axa de rotație să facă un unghi φ cu discul. Când discul suferă o rotație completă în sensul acelor de ceasornic, roata bicicletei nu va reveni la poziția inițială, ci va fi supusă unei rotații nete de 2πsinφ.

Precesiunea de tip Foucault este observată într-un sistem virtual în care o particulă fără masă este constrânsă să rămână pe un plan rotativ care este înclinat în raport cu axa de rotație.

Rotirea unei particule relativiste care se mișcă într-o orbită circulară precesează similar cu planul de oscilație al pendulului Foucault. Spațiul de viteză relativistă din spațiul-timp Minkowski poate fi tratat ca o sferă S3 în spațiul euclidian cu 4 dimensiuni cu rază imaginară și coordonate imaginare în timp. Transportul paralel al vectorilor de polarizare de-a lungul unei astfel de sfere dă naștere precesiunii Thomas, care este analogă rotației planului de oscilație a pendulului Foucault datorită transportului paralel de-a lungul unei sfere S2 în spațiul euclidian tridimensional.

În fizică, evoluția unor astfel de sisteme este determinată de faze geometrice. Matematic sunt înțelese prin transport paralel.

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99$29,02 Selectează opțiunile
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99$28,47 Selectează opțiunile
Mecanica fenomenologică
Mecanica fenomenologică

O privire de ansamblu asupra mecanicii clasice, care intenționează să ofere o acoperire a principiilor și tehnicilor fundamentale, un domeniu vechi dar care se află la baza întregii fizicii, și care în ultimii ani a cunoscut o dezvoltare rapidă. Se … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $4,99 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *