Созданный в 1851 году маятник Фуко используется для демонстрации вращения Земли. Это обычный маятник, но с очень длинной подвеской и довольно солидным грузом (обычно с металлическим шаром).
Всё, как бы, обычное, но для многих возникает проблема, ибо ориентация плоскости колебаний маятника Фуко остаётся неизменной, несмотря на то, что Земля вращается вокруг своей оси. А фактически, никакой проблемы здесь нет. Однако интересно, как объясняют эту проблему математики и многие физико-математики.
Для них действующие на груз маятника силы тяжести и натяжения подвеса лежат в плоскости качаний маятника и не могут вызвать ЕЁ ВРАЩЕНИЕ по отношению к звёздам потому, что систему отсчёта, связанную со звёздами, математики считают ИНЕРЦИАЛЬНОЙ.
Это значит, что плоскость колебаний маятника Фуко находится в инерциальной системе отсчёта, а стоящий на Земле наблюдатель находится в неинерциальной системе, ибо вращается вместе с Землёй и поэтому наблюдает разворот этой плоскости.
Однако, инерциальной системой отсчета (ИСО) математики считают такую систему, в которой тело (заметьте, именно тело, ибо это очень важно!) движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют внешние силы.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что данное объяснение явно подогнано, ибо логика здесь нарушена. Ведь тело материально, а некая плоскость даже для математиков не является материальной средой. И даже им известно, что тело, которым является маятник, движется вовсе не равномерно и, тем более, не прямолинейно.
Но это косвенное замечание математики ещё могут оспаривать на основе лишённых физического смысла математических моделей. Не зря великий Гегель говорил:
«Если при необходимости что-либо объяснить, кто-то начинает апеллировать к математике, то он нашёл и пользуется удобной для себя лазейкой, как избежать правильного определения, понимания, и обоснования своих понятий».
Зато математикам неизвестно, как удалённые на огромные расстояния звёзды могут влиять на Землю и находящийся на ней маятник Фуко? Ибо этого не знает никто, даже наш «гений», завещавший нам воздействие Солнца на Землю и другие планеты через пустоту.
Но уже давно известно, что Земля движется в гравитационном поле Солнца и на неё действует напряжённость этого поля в том его месте, где Земля и находится, а не где-то там, далеко.
Поэтому в процессе взаимодействия принимают участие вовсе не далёкие звёзды, а местное силовое поле и мы должны рассматривать взаимодействие любого тела, в том числе и маятника Фуко с гравитационным полем.
При этом, систему отсчёта для любого явления нельзя принимать произвольно. Её нужно связывать с центром того поля, в котором это явление рассматривается.
Например, Земля и остальные планеты находятся в потенциальном поле Солнца. Поэтому их движение надо рассматривать относительно центра этого поля. А все явления в поле Земли надо рассматривать относительно центра земного поля. Об этом мы уже говорили в статье 5 «Системы отсчёта и их выбор».
Не трудно догадаться, что и движение маятника Фуко надо рассматривать относительно центра поля Земли. Тут математики и даже многие физико-математики отдыхают, а мы идём дальше.
Земля, как известно, вращается вокруг своей оси и о причине этого вращения мы ещё поговорим, ибо это очень интересная тема для дискуссии. Здесь очень близок к Истине лектор из Новосибирска по данной ссылке: Электродвигатель на батарейке - YouTube
А пока давайте подумаем, может ли гравитационное поле Земли (как электрическое и магнитное) вращаться вокруг своего центра? Ответ однозначный – нет. Зато оно движется вместе с Землёй (скорее, Земля движется вместе со своим полем) по орбите вокруг Солнца. Этот факт подтверждается движением искусственных спутников Земли в её гравитационном поле.
Вывод: Гравитационное поле Земли (как электрическое и магнитное) НЕПОДВИЖНО относительно своего центра. А в этом поле колеблется и маятник Фуко, поэтому разворачивать плоскость своих колебаний у него оснований нет.
Но, если Земля вращается вокруг своей оси, а её магнитное поле неподвижно, то этот факт должен иметь отношение и к любому постоянному магниту. И реальным подтверждением этому, как раз и является так называемый «парадокс» Фарадея.
В 1831 году великий Майкл Фарадей (1791-1867) открыл Закон электромагнитной индукции:
«В проводящем контуре, который находится в переменном магнитном поле или движется в постоянном магнитном поле, возникает электродвижущая сила (ЭДС индукции)».
Здесь важно запомнить две основные причины возникновения ЭДС:
- изменение самого магнитного поля относительно электропроводящего контура;
- движение контура (или его части) относительно магнитного поля.
Затем Фарадею потребовалось построить наглядное устройство для преобразования механической энергии в электрическую.
Это устройство представляет собой токопроводящую ось, на которой закреплены металлический диск и постоянный магнит, поле которого направлено вдоль оси вращения. К самой оси и краю диска подключены скользящие контакты электрической цепи. Рассмотрим различные комбинации из вращения и неподвижности частей этого устройства:
1. Если вращать за ось только диск (магнит и контакты электрической цепи остаются без движения), то в цепи потечёт постоянный ток – вторая причина возникновения ЭДС.
2. Однако вызвал удивление тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению ЭДС в неподвижной внешней цепи.
3. Более того, когда вращается только магнит, а диск и контакты внешней цепи неподвижны, то ЭДС отсутствует, хотя здесь вроде должна действовать первая причина возникновения ЭДС.
Так появился «парадокс» Фарадея. Но, когда был создан маятник Фуко, то физики (правда, не все в то время, а лишь некоторые) поняли, что такой парадокс не существует, ибо вращение постоянного магнита вокруг оси, вдоль которой направлено его магнитное поле, не приводит к вращению этого поля.
Следовательно, не важно, неподвижен постоянный магнит или вращается вокруг своей оси, ибо магнитное поле в любом случае неподвижно. К сожалению, и теперь только небольшая часть академиков (которые ближе к физике, чем к математике) знают это условие, понимая, что никакие инерционные системы отсчёта здесь не имеют значения.
Итак, для варианта 1 токопроводящий диск вращается относительно неподвижного магнитного поля – ЭДС наводится и стекает во внешнюю цепь через скользящий контакт на краю диска.
Для варианта 2 диск тоже вращается относительно неподвижного магнитного поля – ЭДС наводится. А вот, для варианта 3 неподвижны и диск, и магнитное поле, поэтому ЭДС отсутствует.
Заметьте, мы рассмотрели три варианта, в которых контакты электрической цепи оставались неподвижными. Но есть и четвёртый вариант, в котором диск неподвижен (магнитное поле неподвижно в любом случае), а токосъёмные контакты вращаются вокруг диска – ЭДС и в этом случае, как ни странно, наводится.
Но и этот вариант объясняется просто (как и всё в этом мире). Соединённые с осью и краем диска контакты внешней цепи образуют на диске только один проводник для тока между контактами, ибо ток течёт по пути наименьшего сопротивления. Следовательно, вместе с контактами в неподвижном магнитном поле движется и прямой отрезок на диске в качестве проводника. А это и есть вторая причина возникновения ЭДС.
Однако, что происходит, если контакты вращаются вместе с диском? В этом случае контакты образуют с диском одно целое и, чтобы измерить наведённую ЭДС, необходим еще один, но неподвижный вольтметр.
Наглядно различные комбинации из вращения и неподвижности частей данного устройства показаны в следующей таблице:
