Маятник Фуко. Всемирный Закон сохранения пространственной ориентации на примере маятника Фуко

Любой закон, существующий в природе, является Всемирным, то есть, при одинаковых условиях проявляется одинаково. Потому в данной статье я мог бы и не делать акцент на том, что названный закон является Всемирным. Однако, широкий спектр его проявлений в различных научных сферах дает ему более широкое право характеризовать его как «Всемирный». Это Закон сохранения пространственной ориентации элементами вращающихся объектов [1].

Коротко этот закон можно выразить следующей формулировкой:

Любое тело, являющееся частью или элементом вращающегося объекта, связанное с ним контактными (механическими) связями (соединениями, сцеплениями), вынуждающими это тело вращаться с этим объектом, стремится сохранить свое инерциальное состояние, которое оно имело бы при отсутствии этих сил принуждения со стороны вращающегося объекта.

Другими словами: имея степени свободы, тело, как и все составные элементы вращающегося объекта, стремилось бы сохранить свою предыдущую пространственную ориентацию с тенденцией инерциального состояния (движения) без какого-либо принудительного механического воздействия.

Любой объект состоит из каких бы то ни было составных элементов, которые каким-либо образом связаны меж собой (с различной прочностью) связями, ограничивающими степени свободы друг друга. Так вот, действие названного закона (Сохранения пространственной ориентации) как раз и распространяется на эти составляющие элементы вращающегося тела, вращающегося объекта.

В настоящей статье этот закон позволит нам объяснить физику эффекта поворота плоскости качания маятника Фуко, используемого до настоящего времени в качестве наглядного пособия, подтверждающего вращение Земли.

2.    Открытие эффекта маятника Фуко.

8 января 1851 года в подвале своего дома французский исследователь Леон Фуко обратил внимание на то, что качающийся маятник, так же как и механический гироскоп (известный ему ранее) не изменяет направление качания подвешенного на нити груза при вращении основания, на котором размещено устройство с подвеской маятника. [2].

Смещением качания маятника Л. Фуко демонстрировал эксперимент, подтверждающий вращение Земли. Первая публичная демонстрация эксперимента состоялась в марте 1851 года в Парижском пантеоне. За час плоскость колебаний маятника поворачивалась более чем на 11°.

3.    Физическая природа сохранения плоскости качания маятника Фуко.

В настоящей работе мы не будем подвергать анализу и критике современные существующие теории. Оставим это на совесть авторов толкований, путаница в которых свидетельствует лишь об отсутствии достоверного понимания физической природы явления. Впрочем, в этом нет ничего удивительного, так как до настоящего времени остается практически не известен науке Закон сохранения пространственной ориентации элементов вращающихся объектов. [1].

Действие настоящего закона не распространяется на элементы, отделившиеся, освободившиеся, от вращающегося объекта, так как в этом случае такие элементы подчинены Закону сохранения инерциального вращения при их отделении, отрыве [3].

Маятник Фуко состоит из двух частей. Первая - это опора с кронштейном. И вторая часть — груз, то есть сам маятник, подвешенный на мягкой связи (нитка, веревка, трос) к верхней части этой опоры, т.е. к кронштейну. Ну, а висит груз маятника за счет его притяжения к земле. И в спокойном висячем состоянии этот груз находится в устойчивом равновесии ближе всего к земле. При этом «нить», или подвес маятника, под грузом перпендикулярен земле. При отведении груза в сторону — он становится выше своей стабильной нижней точки. Когда мы его отпускаем — груз, падая к своей нижней точке притяжения, проскакивает ее по инерции. И так он будет колебаться, за счет притяжения к центру Земли, в плоскости качания, до тех пор, пока не остановится, уменьшая амплитуду колебаний, в точке исходного покоя.

Следует сразу же заметить, что этот свободно подвешенный груз имеет две степени свободы, в отличие от маятника в часах, который, имея одну степень свободы, может качаться только в одной плоскости. Маятник же Фуко может качаться в любом первоначально заданным направлении качания. При этом, как мы уже отмечали, он независим от поворотов под ним опоры. Значит, плоскость качания маятника всегда сохраняет свою первоначальную ориентацию.

Однако, так как наша Земля - шар, то опора под маятником может быть установлена в любой его точке: на полюсах, на экваторе и на любой широте.

Так он будет вести себя (то есть качаться) в любой точке земной поверхности, где бы мы не разместили опору (основание) маятника.

Разместим маятник со своей опорой, например, на северном полюсе. Приведем маятник в движение, в колебания. Если бы конструкция маятника позволяла повернуть опору, основание под ним, то заметили бы, что плоскость качания маятника не изменилась по отношению к окружающим объектам, как в первом эксперименте у Фуко. Но «возвратим» основание на прежнее место под маятником и, не поворачивая, оставим его неподвижно на земле.

Через некоторое время (считая колебания незатухающими) заметим, что плоскость колебания маятника поворачивается относительно основания и земли. Заметим, что плоскость качания маятника реагирует только на те повороты опоры (основания), которые происходят в плоскости перпендикулярной отвесу маятника. На экваторе это основание, опора, перпендикулярна подвесу маятника, который так же, как и на полюсах, направлен к центру Земли. Приведем маятник в движение (колебание) в любом направлении. Повернем под ним основание маятника. Плоскость колебания маятника относительно основания будет, как и на полюсе, поворачиваться. Возвратим основание под маятником на место и оставим неподвижным на земле. Маятник относительно опоры, стоящей неподвижно на земле, здесь, на экваторе, в отличии от полюса, не изменяет направление плоскости качания. Весь маятник (вместе со всей оперой, стоящей на земле) вращается вместе с Землей. Но на это вращение маятник не реагирует, так как для него это вращение вертикальное. Для этого движения у маятника (в «механизме» маятника) нет степени свободы.

Вращение земной поверхности относительно плоскости качания вертикально подвешенного маятника появляется только с перемещением его от экватора в сторону полюса. На самом полюсе плоскость маятника сделала бы полный оборот за 24 часа. Закону сохранения пространственной ориентации подчиняется и сам груз, просто висящий неподвижно. Но качающийся груз подчеркивает Закон более наглядно, исключая или уменьшая вредные влияния: в первую очередь, трение подвеса, скручивание/раскручивание «нити» подвеса (проволоки, троса) и предыдущие инерциальные воздействия на груз (которым, кстати, может быть любой предмет любой формы и веса).

То есть, плоскость качания маятник Фуко подчиняется всемирному Закону сохранения пространственной ориентации элементами вращающихся объектов [1]. В этом и состоит физическая природа сохранения плоскости качания маятника Фуко.

Мудрость Л. Фуко состоит в том, что он лабораторный эксперимент (с поворотом опоры под качающимся маятником) использовал для доказательства вращения Земного шара.

4.    Заключение

Маятник Фуко - это частный случай, частный пример проявления закона Сохранения пространственной ориентации.

Автором уже рассматривались некоторые из них, имеющие место в геофизике. Например, возникновения течений в «закрытых» неподвижных водоемах, типа: озер, морей, океанов [4, 5]. Под действием существования этого Закона вода в этих водоемах подвижна со дня рождения этих водоемов. То есть, в этих водоемах на вращающейся Земле появились течения. Эти течения уже и является основой зарождения в «закрытых» водоемах сил Кориолиса, которые могут «подтачивать», подмывать и какие-то береговые линии. [4, 5].

Однако, полагаю, что сравнивать маятник Фуко с механическим гироскопом - не совсем корректно, так как у гироскопа основой стабилизации, сохранения пространственной ориентации, является быстро вращающийся механизм (а не свободное качание тяжелого подвеса). Гироскоп компактен. [7]. Поэтому маятник Фуко и не нашел пока практического, прикладного, применения, оставаясь наглядным пособием.

Итак, эффект маятника Фуко наблюдается хорошо в высоких широтах северного и южного полушария Земного шара (максимальное проявление — на полюсах) и абсолютно отсутствует на экваторе. Хотя Земной шар не останавливает своего вращательного движения. Если бы на грузе маятника Фуко закрепить гироскоп с двумя степенями свободы, то он изменял бы направление вместе с плоскостью качания маятника в любой точке Земного шара. То есть, и маятник, и гироскоп работали бы синхронно на любой широте Земли, и даже на экваторе. Максимальное же проявление Закона сохранения пространственной ориентации на экваторе Земного шара наблюдается, например, в тектонике литосферных плит. [6].

В то же время маятник Фуко служит еще одним наглядным примером проявления Закона сохранения пространственной ориентации в природе. Этот Закон может быть причастен и к таким загадочным явлениям на Земле, как «голоса земли», движение камней в «Долине Смерти», полтергейст и другие. [8,9].