Wahadło Foucaulta

Wahadło Foucaulta zostało nazwane na cześć francuskiego fizyka Jeana Foucaulta (wymawiane „Fu-ko”), który po raz pierwszy użył go w 1851 r. do zademonstrowania ruchu obrotowego Ziemi. Była to pierwsza dająca satysfakcję demonstracja obrotu Ziemi przy użyciu aparatury laboratoryjnej, a nie obserwacji astronomicznych.

Po wprawieniu w ruch wahadło Foucaulta będzie wychylało się w jednej płaszczyźnie. Jednakże po kilku godzinach ta płaszczyzna ulegnie przesunięciu – obróci się. Jak to jest możliwe?

Wyobraź sobie, że znalazłeś się w muzeum położonym na biegunie północnym i że w tym muzeum, pod sufitem, zawieszono wahadło Foucaulta dokładnie w punkcie znajdującym się nad biegunem. Po wprawieniu wahadła w ruch będzie się ono wychylać w tej samej płaszczyźnie, chyba że zostanie popchnięte lub pociągnięte w innym kierunku (wynika to z podstawowego prawa natury zwanego pierwszą zasadą dynamiki Newtona). Jednocześnie Ziemia wykonuje pełny obrót pod wahadłem raz na 24 godziny. Dlatego też jeżeli zatrzymałbyś się, żeby popatrzeć na wahadło, po mniej więcej kwadransie prawdopodobnie zauważyłbyś, że linia, wzdłuż której wahadło wykonuje swój ruch, zmieniła kierunek. Zmiana płaszczyzny ruchu wahadła byłaby bardziej widoczna gdyby rano zaznaczyć linią płaszczyznę ruchu wahadła a w centralnej części ułożyć okrąg złożony z kołków, które wahadło mogłoby przewracać podczas wykonywania swojego ruchu.

Kiedy stoisz na podłodze budynku, w którym znajduje się wahadło (budynku, którego fundamenty są wkopane w ziemię), w naturalny sposób myślisz, że podłoga się nie porusza, porusza się za to wahadło. Dzieje się tak dlatego, że w naturalny sposób zakładamy, że podstawa, na której stoimy, jest nieruchoma, chyba że wzrok lub zmysł równowagi podpowiadają nam inaczej. W przypadku gdy podstawa, na której stoimy, porusza się powoli lub przyspiesza płynnie, łatwo możemy dać się zwieść myśleniu, że oto porusza się inny obiekt, który widzimy – nie my. Prawdopodobnie zdarzyło ci się doświadczyć takiego zjawiska w samochodzie, pociągu lub samolocie, który zaczyna poruszać się bardzo powoli i płynnie. Przez ułamek sekundy mogłeś pomyśleć, że samochód stojący obok, pociąg, a nawet budynek się poruszają. Jeśli zastanowimy się nad tą całą sytuacją, możemy się zgodzić z tym, że to, co widzimy, jest prawdziwym dowodem na to, że to właśnie Ziemia obraca się w stosunku do wahadła, a obracanie się jego płaszczyzny ruchu jest po prostu czymś, co nam się wydaje.

Na biegunie północnym wahadło pozornie wykonałoby pełne koło 360 stopni w ciągu 24 godzin, czyli około 15 stopni na godzinę. Sprawa wygląda dość prosto, ponieważ tutaj Ziemia i wahadło nie wywierają na siebie zbyt dużego wpływu. Gdybyśmy przesunęli się z budynkiem i wahadłem z bieguna północnego bardziej na południe, na przykład do Waszyngtonu, Ziemia nie tylko obracałaby się pod wahadłem, ale także unosiłaby Waszyngton, budynek i wahadło po wielkim okręgu wokół własnej osi. Oznacza to, że ruch Ziemi i ruch wahadła mieszają się teraz w dość skomplikowany sposób. Jak można się przekonać, obserwując przez chwilę ruch wahadła, efektem tego pomieszania jest spowolnienie pozornego obrotu wahadła. Zamiast obracać się o 15 stopni (co stanowi około 1/24 pełnego koła) w ciągu jednej godziny, wahadło wykonuje pozorny obrót jedynie o około 9 stopni (około 1/40 pełnego koła). Przesuwając się dalej na południe, pozorny obrót wahadła staje się jeszcze wolniejszy, a na równiku nie będzie go już wcale. Poniżej równika wahadło ponownie zaczyna wykonywać pozorny obrót, ale tym razem w przeciwnym kierunku.

Każde wahadło składa się z liny, drutu lub sznurka i łezki wahadła. Aby można było w widoczny sposób pokazać efekt Foucaulta, wahadło powinno mieć możliwie najdłuższą linkę (w tym przypadku ma ona około 16 metrów długości) i ciężką symetryczną łezkę (w tym przypadku jest ona wykonana z wydrążonego mosiądzu i waży około 109 kg). Podobnie jak wszystkie wahadła, to wahadło traci trochę ze swojej energii przy każdym wychyleniu z powodu tarcia wywołanego przez prądy powietrza, drgania liny i inne czynniki. Zatem pozostawione samemu sobie wychylenia wahadła będą coraz krótsze, aż po kilku godzinach zanikną zupełnie. Aby wahadło Foucaulta działało nieprzerwanie, energia, którą traci przy każdym wychyleniu, musi być w jakiś sposób uzupełniana. Można tego dokonać, dając wahadłu lekkiego „kopa” przy każdym wychyleniu.

W związku z tym do górnej części linki mocuje się dwa żelazne kołnierze. W suficie wbudowany jest elektromagnes w kształcie pączka amerykańskiego tzw. oponki. W jego otworze porusza się tam i z powrotem żelazny kołnierz zamocowany w górnej części linki. Kiedy lina podczas wychylania się wahadła osiągnie pewien określony punkt, urządzenie elektroniczne w odpowiednim momencie włącza magnes, dając kołnierzowi (a tym samym lince i łezce wahadła) lekkiego „kopa”, dokładnie w tym kierunku, w którym wahadło wychyla się w sposób naturalny. To przywraca energię, która wahadło traci podczas wykonywania ruchu; dzięki temu wahadło się nie zatrzymuje. Nie ma to wpływu na kierunek wychylania się wahadła, a co za tym idzie, nie przeszkadza w demonstrowaniu ruchu obrotowego Ziemi.