Dziś nawet dzieci wiedzą, że nasza planeta wiruje wokół osi. Jednak w czasach Galileusza ruch obrotowy Ziemi był był nie teorią, a hipotezą. Musiały upłynąć niemal trzy wieki, zanim pojawił się jednoznaczne potwierdzenie, że wędrówka Słońca ze wschodu na zachód jest tylko ruchem pozornym. Dowodu dostarczył Léon Foucault – francuski fizyk doświadczalny.
Jak działa wahadło Foucaulta?
Wahadło Foucaulta to nic innego, jak przyrząd pozwalający obserwować zjawisko obrotu Ziemi wokół własnej osi. Składa się z ciężarka zawieszonego na długiej linie i przegubu Cardana, Czyli mocowania umożliwiającego swobodne zawieszenie, które sprawia, że konstrukcja jest niezależna od ruchu obrotowego naszej planety.
Jak działa taki instrument? Z punktu widzenia obserwatora znajdującego się na Ziemi, wahadło wprawione w ruch nie zachowuje płaszczyzny drgań. Ta zmienia się z czasem. Efekt odchylenia nie jest widoczny przy pojedynczym ruchu, jednak jeżeli instrument waha się dłużej, rezultat ulega zwielokrotnieniu i staje się możliwy do zaobserwowania. Jeżeli wahadło zostanie zawieszone na biegunie, jego płaszczyzna drgań w ciągu doby obróci się o 360 stopni. Na innych szerokościach geograficznych pełny obrót zajmie więcej czasu.
Wahadło Foucaulta / fot. UlyssePixel / Shutterstock.com
Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi, że jeżeli na ciało nie działają żadne siły lub działające siły równoważą się, to owe ciało znajduje się w spoczynku lub porusza się w układzie inercjalnym ze stałą prędkością. Jeżeli więc przyjmiemy, że tym ciałem jest ciężarek wahadła, a warunki doświadczenia wykluczają działanie jakichkolwiek sił poza równoważącymi się reakcją liny i ciężarem wahadła, jak to możliwe, że następuje odchylenie?
Odpowiedź może być tylko jedna – nie następuje. Przyrząd zachowuje płaszczyznę drgań i nie rotuje. Obserwowany ruch jest pozorny. Gdyby obserwator tego zjawiska mógł zmienić układ odniesienia i znaleźć się na zewnątrz Ziemi, zauważyłby, że rotuje nasza planeta, nie wahadło. Należy podkreślić, że efekt ten jest możliwy do zaobserwowania wyłącznie na szerokościach geograficznych różnych od zera. Na równiku płaszczyzna drgań pozostaje stała.
Geneza wynalazku i pierwsze eksperymenty
Léon Foucault nie był pierwszym naukowcem, który poczynił próby doświadczalnego udowodnienia ruchu obrotowego Ziemi. Wcześniej przeprowadzano doświadczenia związane z obserwacją ruchu obiektów spadających ze znacznych wysokości. Jednak techniki pomiarowe, którymi wówczas dysponowali badacze, nie pozwalały uzyskać jednoznacznie przekonywujących wyników.
W 1839 roku Siméon Denis Poisson, francuski matematyk i fizyk, wykazał w swojej rozprawie, że pocisk wystrzelony horyzontalnie do (na półkuli północnej w kierunku północnym i na półkuli południowej w kierunku południowym) odchyli się ku wschodowi. Zauważył też, że ruch obrotowy Ziemi powinien mieć wpływ także na wahadło.
Co sprawiło, że nikt przed Foucaultem nie był w stanie dowieść ruchu obrotowego naszej planety? W końcu wahadło samo w sobie nie jest zbyt skomplikowanym instrumentem pomiarowym. To prawda, jednak należy podkreślić, że warunki techniczne takiego doświadczenia nie mają nic wspólnego z prostotą.
Po pierwsze, krótkotrwałe drgania nie dają obserwowalnych efektów, a przecież puszczone swobodnie wahadło dość szybko wyhamowuje. Należało zatem odpowiednio określić długość ramienia (liny) i masę ciężarka. Po drugie, wahadło nie mogło być sztywno zamocowane, bo takim przypadku obracałoby się wraz z Ziemią.
Léon Foucault był niezwykle zręcznym konstruktorem. Rozwiązał wszystkie problemy, jakie stwarzało to doświadczenie. Początkowo pracował w piwnicy swojego domu w Paryżu. Do pierwszych eksperymentów użył wahadła o długości dwóch metrów i masie około pięciu kilogramów. Po udanej obserwacji, zdecydował się na pokaz dla zaproszonych gości.
3 lutego 1851 roku zawiesił 11-metrowe wahadło w paryskim obserwatorium astronomicznym. Udane doświadczenie jednoznacznie dowiodło, że Ziemia rotuje. Dzięki wsparciu prezydenta Ludwika Napoleona, 31 marca udało się mu zorganizować publiczną prezentację w paryskim Panteonie. Tym razem użył wahadła o długości 67 metrów i masie 28 kilogramów. Pokaz powtarzano wielokrotnie i za każdym razem do budynku w Dzielnicy Łacińskiej ściągały tłumy, chcące na własne oczy przekonać się, że nasza planeta nie stoi w miejscu.
Kim był twórca wahadła?
Kim właściwie był Jean Bernard Léon Foucault? Urodził się 18 września 1819 roku, w Paryżu. W młodości uczęszczał do prestiżowego Collège Stanislas. Tam odkrył swoje zamiłowanie do techniki, jednak późniejsza edukacja miała skierować go na zupełnie inne tory – Foucault miał zostać lekarzem. Po roku studiów na akademii medycznej stwierdził, że urządzenia techniczne są dla niego znacznie bardziej interesujące niż ludzka anatomia.
Jego zasługi w dziedzinie fizyki doświadczalnej można wymieniać i wymieniać. Wystarczy wspomnieć, że poza udowodnieniem ruchu obrotowego Ziemi, Foucault dokonał jednego z pierwszych pomiarów prędkości światła w powietrzu i wodzie, opracował technikę srebrzenia szkła odbijającego światło w teleskopie i zbadał widmo Słońca w zakresie podczerwonym i odkrył elektryczne prądy wirowe. Oprócz tego, przyczynił się do usprawnienia wielu urządzeń, w tym cewki indukcyjnej i lampy łukowej.
Wahadła Foucaulta w Polsce
Ruch obrotowy Ziemi można zaobserwować także w Polsce. Najdłuższe, bo mierzące 46,5 m (masa wahadła wynosi 25 kg) znajduje się w Krakowie, w Kościele św. Piotra i Pawła. Oprócz tego, takie instrumenty znajdują się jeszcze w 15 miejscach w naszym kraju. Obiekty, o których mowa, to:
Wahadło Foucaulta w Centrum Nauki Kopernik / fot. mat. promocyjne
- Centrum Nauki i Techniki EC1 w Łodzi,
- Centrum Nowoczesności Młyn Wiedzy w Toruniu,
- Wieża Radziejowskiego we Fromborku,
- Wieża Dzwonów (Zamek Książąt Pomorskich) w Szczecinie,
- Wydział Matematyczno-Przyrodniczy Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach,
- dziedziniec Politechniki Gdańskiej,
- Centrum Nowych Technologii Politechniki Śląskiej w Gliwicach,
- Lubelskie Centrum Konferencyjne,
- Centrum Nauki Kopernik w Warszawie,
- Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu,
- Wydział Fizyki Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu,
- VI LO im. Jana Kochanowskiego w Radomiu,
- Planetarium i Obserwatorium Astronomiczne im. Arego Sternfelda w Łodzi,
- Planetarium Śląskie w Chorzowie,
- Wydział Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku.
Szukasz więcej fascynujących informacji na temat świata roślin i zwierząt, odkryć archeologicznych i nieskończonego Wszechświata? Zaprenumeruj magazyn „National Geographic Polska". Najnowszą ofertę znajdziesz na tej stronie.
