Лет пятнадцать назад в газете «The New York Times» была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов.
Далее будут приведены описания экспериментов, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.
Маятник Фуко
Десятое место занял эксперимент Жана-Бернара-Леона Фуко, проведённый в 1851 году.
Французский физик экспериментально доказал вращение Земли вокруг оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Подобный маятник (98 м) в своё время можно было увидеть в Петербурге в Исаакиевском соборе.
Под куполом здания Фуко подвесил металлический шар массой 28 кг на стальной проволоке длиной 67 м.
Под маятником было сделано круговое ограждение радиусом 6 м с центром прямо под точкой подвеса. На ограждение был насыпан песок, чтобы при каждом качании прикрепленное под шаром маятника металлическое острие могло сметать его на своем пути. Чтобы обеспечить пуск маятника без бокового толчка, его отвели в сторону и привязали веревкой. После того как маятник после привязывания пришел в состояние полного покоя, веревку пережгли и маятник пришел в движение.
Маятник такой длины совершает одно полное колебание за 16,4 с, и вскоре стало видно, что плоскость качания маятника поворачивается по часовой стрелке относительно пола. При каждом следующем качании металлическое острие сметало песок примерно в 3 мм от предыдущего места. За час плоскость качания повернулась более чем на 11°, а примерно за 32 ч совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение. Эта впечатляющая демонстрация приводила зрителей прямо-таки в истерику; им казалось, что они чувствуют вращение Земли под ногами.
Маятник, используемый для демонстраций, подтверждающих факт суточного вращения Земли, представляет собой массивный груз, подвешенный на проволоке или нити, верхний конец которой укреплен (например, с помощью карданного шарнира) так, что позволяет маятнику качаться в любой вертикальной плоскости.
Если маятник отклонить от вертикали и отпустить без начальной скорости, то, поскольку действующие на груз маятника силы тяжести и натяжения нити лежат всё время в плоскости качаний маятника и не могут вызвать её вращения, эта плоскость будет сохранять неизменное положение по отношению к звёздам (к инерциальной системе отсчёта, связанной со звёздами). Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с нею, будет видеть, что плоскость качаний маятника медленно поворачивается относительно земной поверхности в сторону, противоположную направлению вращения Земли.
Этим и подтверждается факт суточного вращения Земли.
На Северном или Южном полюсе плоскость качаний маятника Фуко совершит поворот на 360° за звёздные сутки (на 15° за звёздный час). В пункте земной поверхности, географическая широта которого равна φ, плоскость горизонта вращается вокруг вертикали с угловой скоростью ωsinφ, где ω — угловая скорость Земли. Поэтому видимая угловая скорость вращения плоскости качаний маятника на широте φ, выраженная в градусах за звёздный час, имеет значение ωм = 15° sinφ, т.е. будет тем меньше, чем меньше φ, и на экваторе обращается в нуль (плоскость не вращается). В Южном полушарии вращение плоскости качаний будет наблюдаться в сторону, противоположную наблюдаемой в Северном полушарии.
Примечание:
Верхний рисунок показывает траекторию маятника в случае, если он был отклонён в крайнее положение и затем отпущен.
Несколько иной характер траектории получится, если маятник приводится в движение коротким толчком из положение равновесия (нижний рисунок).
