Маятник Фуко

3 января 1851 года января Жан Бернар Леон Фуко провёл успешный опыт с маятником, впоследствии получившим его имя. Для опыта был выбран Парижский Пантеон, в нем можно было укрепить нить маятника длиной 67 метров. На  конце нити из стальной проволоки был укреплён чугунный шар весом 28 килограмм. Перед пуском шар отводился в сторону и привязывался тонкой бечёвкой , опоясывающей шар по экватору. Под маятником был сделан круглый помост, по краю которого насыпан валик песка. Одно полное колебание маятника длилось 16 сек, и при каждом размахе прикреплённое под шаром  маятника остриё  прочерчивало новую черту на песке, наглядно показывая вращение под ним помоста, а, следовательно, и всей Земли.

В основе опыта лежит свойство маятника сохранять плоскость колебаний независимо от вращения опоры, к которой маятник подвешен. Наблюдатель, вращающийся вместе с Землёй, видит постепенное изменения направления качаний маятника относительно окружающий земных предметов.

При практическом осуществлении опыта с маятнико Фуко важно устранить причины, нарушающие его свободное качание. Для этого его  и делают очень длинным, с тяжелым и  симметричным грузом на конце. Маятник должен иметь одинаковую возможность качаться во всех направлениях, быть хорошо защищённым от ветра. Укрепляют маятник либо на карданном шарнире, либо на горизонтальном шарикоподшипнике, поворачивающемся вместе с плоскостью качания маятника. Большое значение для результатов опыта имеет пуск маятника без бокового толчка.
На первой публичной демонстрации опыта Фуко в Пантеоне именно для этого маятник и привязали бечёвкой. Когда маятник после привязывания пришел в состояние полного покоя, веревку пережгли и он пришел в движение.
 
Так как маятник в Пантеоне совершал одно полное колебание за 16,4 с,  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. 

Чтобы выяснить, почему маятник ведет себя таким образом, рассмотрим песочное кольцо. Северная точка кольца находится в 3 м от центра, и, учитывая, что Пантеон находится на 4851 северной широты, эта часть кольца на 2,3 м ближе к земной оси, чем центр. Поэтому при повороте Земли на 360 в течение 24 ч северный край кольца будет двигаться по кругу меньшего радиуса, чем центр, и за сутки пройдет на 14,42 м меньше. Следовательно, разность скоростей этих точек равна 1 см/мин. Точно так же южный край кольца движется на 14,42 м в сутки, или на 1 см/мин, быстрее, чем центр кольца. Благодаря этой разности скоростей линия, соединяющая северную и южную точки кольца, всегда остается направленной с севера на юг. На земном экваторе северный и южный концы столь небольшого пространства находились бы на одном расстоянии от земной оси и, следовательно, двигались с одинаковой скоростью. Поэтому поверхность Земли не вращалась бы вокруг вертикального столба, стоящего на экваторе, а маятник Фуко качался бы по одной и той же линии. Скорость вращения плоскости качания была бы равна нулю, а время полного оборота было бы бесконечно большим. Если бы маятник был установлен точно на одном из географических полюсов, то оказалось бы, что плоскость качания поворачивается точно на 15 каждый час и совершает полный оборот на 360 за 24 ч. (Поверхность Земли поворачивается на 360 в сутки вокруг земной оси.) . На всех других широтах эффект Фуко проявляется в различной степени, при этом его действие становится более наглядным по мере приближения к полюсам.


Самая длинная нить  - 98 метров – была у маятника Фуко, расположенного в Исаакиевском соборе в г. Санкт-Петербурге. Маятник снят в 1992 году, как не соответствующий назначению здания.

Теперь на Северо-Западе России есть лишь один маятник Фуко – в Санкт-Петербургском Планетарии.  Длина его нити невелика – около 8 метром, но от этого степень наглядности не уменьшается. Этот экспонат Планетария вызывает неизменный интерес у посетителей всех возрастов.

Маятник Фуко, размещающийся в настоящее время в вестибюле для посетителей здания Генеральной Ассамблеи Организации Объединённых Наций в Нью-Йорке, является даром правительства Нидерландов.

 Этот маятник представляет собой 200-фунтовый позолоченный шар диаметром 12 дюймов, частично наполненный медью и подвешенный на  проволоке из нержавеющей стали под потолком над церемониальной лестницей в 75 футах от пола. Верхний конец проволоки закреплен с помощью универсального шарнира, что позволяет маятнику свободно качаться в любой вертикальной плоскости. При каждом колебании шар проходит над рельефным металлическим кольцом с электромагнитом, в результате чего в меди внутри шара наводится электрический ток. Это взаимодействие дает необходимую энергию для преодоления трения и сопротивления воздуха и обеспечивает равномерность качания маятника.

Жан Бернар Леон Фуко ( 1819-1868) –французский физик, член Парижской академии наук ( с 1865 г). В 1865 году был назначен  физиком парижской обсерватории, с 1862 года – член Бюро долгот в Париже.

Кроме знаменитого опыта с маятником, измерил скорость света в воздухе и в воде методом быстро вращающегося  зеркала. Первым обратил внимание на нагревание металлических тел при быстром вращении их в магнитном поле ( вихревые токи, или токи Фуко).  Эти токи имеют практическое применение при плавке и поверхностной закалки металлов. Создал много различных физических приборов. Был членом-корреспондентом Петербургской академии наук (1860).