Я не знаю, многие ли из читателей этого сайта видели живьем маятник Фуко. В СССР маятников Фуко было немало. Их устанавливали в соборах как антирелигиозную пропаганду. И чем длиннее был подвес, тем внушительнее выглядели маятники. Самые длинные в Троицком соборе Псковского Кремля, в костеле Святых Иоаннов в Вильнюсе, в Доминиканском соборе Львова. Но самый-самый висел в Исакиевском соборе Ленинграда, аж 93 метра (он был повешен после того, как город переименовали снят в аккурат до того, как город переименовали еще раз).

Те, кто видел, помнят — что это такая здоровенная металлическая гиря, висящая на тонкой нити, которая с размахом мотыляется над полом, и плоскость качания со временем делает полный круг. Эти маятники никогда не останавливаются, они — живая демонстрация вращения Земли.

Однако, а зачем попаданцу этим маятники? Они ведь ничего делать и не могут! Или могут?…

СССР исчез, наука никому не нужна и маятники поснимали. На картинке сверху — маятник Фуко в парижском Пантеоне. Его туда повесил в 1851-м году Наполеон III и он до сих пор там мотыляется. Длина подвеса — 68 метров.

Принцип действия маятника Фуко достаточно заморочлив. На плоскость его вращения влияет как географическая широта места, где он установлен, так и длина подвеса (длинные маятники вращаются быстрее). Маятник, установленный на полюсе, будет делать оборот за 24 часа. Маятник, установленный на экваторе, вообще не будет вращаться, плоскость останется неподвижной. Сам Фуко не смог вывести вменяемую формулу вращения, это было сделано уже после него.

Возникает вопрос — а как вообще Фуко догадался повесить такой маятник?
Тут вроде как и случай виноват, а вроде как и закономерность. В те времена артиллерия достигла такой точности, что баллистика превратилась в науку. И тут была замечена аномалия — если пушку стреляет точно на север, то если ее установить в северном полушарии, то снаряд отклонится вправо, а если в южном — то влево.

Фуко был оригинальной личностью и чтобы доказать, что тут виновато вращение Земли, придумал такой вот эксперимент с маятником.
То есть до Фуко артиллерийские технологии не достигали такой точности, чтобы эффект могли уловить.
А после Фуко… Если бы такого оригинала, как Фуко, не нашлось бы, то наверняка маятник построили только тогда, когда подвели под него теорию и вращение плоскости следовало бы из формул. Но тогда он никому не нужен был бы и такого интереса не вызвал бы.
В реальности все закончилось тем, что в Риме, в Ватикане, в соборе Святого Игнатия святые отцы повесили такой же маятник, убедились в эффекте — и католическая церковь официально признала вращение Земли.

Итак, какое практическое значение мог бы иметь маятник как таковой?
С его помощью можно приблизительно определить географическую широту. Это для попаданцев совсем уж непонятно куда, непонятно где и непонятно зачем.
Но напоминаю — маятник Фуко будет работать даже в магических мирах, и никакие эльфы ничего поделать не смогут (миров, где планета не вращалась, можно пересчитать по пальцам одной руки — и в таких мирах сразу понятно, что они особые).

В остальных случаях — маятник Фуко имеет очень интересную роль, которую сыграл и в реальности.
А именно — поломал мировоззрение людей.
А эти вещи очень ценные, именно они сдвигают мир с точки.
И таких вещей мало, кроме маятника Фуко можно вспомнить и , но именно их я бы рекомендовал попаданцу внедрять в первую очередь, такие штуки ломают пресловутую инертность мышления.

Напомним, что маятник Фуко — это экспериментальный прибор, с помощью которого можно наглядно наблюдать суточное вращение Земли. Он представляет собой достаточно длинную (в оригинальной конструкции Жана Фуко длина составляла 67 м) стальную проволоку, на которую подвешен груз. С течением времени плоскость колебаний маятника изменяется, медленно поворачиваясь в сторону, противоположную направлению вращения Земли, причем географическое положение (широта) прибора влияет на скорость изменений.

Представить себе плоскость, неподвижную относительно звезд и, соответственно, вращающуюся относительно Земли, очень сложно. Слишком велика Земля, слишком привычна нам ее кажущаяся «плоскость», а почувствовать вращение на себе и вовсе невозможно. Маятник Фуко наглядно демонстрирует нам эффект суточного вращения, но, даже глядя на него, не всегда легко понять и принять его «показания».

Тарелка; три вилки; винная пробка; лайм или любой другой предмет схожих параметров, достаточно легко протыкаемый иголкой; две швейные иглы; катушка ниток; соль.

А представьте себе ситуацию: подходит к вам сын и спрашивает: папа, я тут прочитал про какой-то маятник Фуко, который доказывает, что Земля вертится, и ничего не понял. Можешь мне как-то попроще объяснить? Конечно, отвечаете вы и строите модель маятника прямо на кухне.

Лаймы и иголки

Построить модель можно практически из чего угодно, можно сделать ее красивее, больше, фотогеничнее. Мы предпочли использовать простые предметы, которые можно в считаные минуты найти почти на любой кухне. Не понадобится даже идти в магазин.

Если вращать тарелку равномерно (например, поставив на крутящийся диск), кончик нашего маятника опишет на соли фигуру, аналогичную фигуре, описываемой настоящим маятником Фуко.

Итак, тарелка, три вилки, две иголки, пробка, какой-либо груз (лайм, картофелина, маленькое яблоко), катушка ниток, соль. Тарелка исполняет роль Земли, а стол, на котором она стоит, — неподвижной системы координат, в которых Земля вращается (проще говоря — звезд). Из всего этого несложно соорудить конструкцию, изображенную на первом фото. Самое трудное — подобрать длину нити, чтобы кончик иголки едва-едва не касался поверхности тарелки. Очень важно соблюсти центровку, то есть проследить, чтобы кончик иглы вышел из самой серединки плода, который используется в качестве груза.

Затем мы запускаем систему — лучше всего оттянуть груз в сторону и отпустить. Маятник начинает колебаться. Если мы будем поворачивать тарелку вокруг оси, обнаружится, что маятник не поворачивается вместе с ней, а продолжает колебаться в постоянной плоскости! Соль в данном случае используется для наглядности — при повороте тарелки кончик иглы вычерчивает новую траекторию.

Чем длиннее нить, тем дольше маятник будет колебаться с достаточной амплитудой, чтобы за опытом было интересно наблюдать со стороны.

Теперь достаточно представить, что тарелка очень большая — диаметром с Землю. И она вертится, как по легенде говаривал Галилей, самостоятельно, подобно тому, как мы вращаем тарелку рукой. А маятник Фуко, спускаясь с купола Московского планетария или парижского Пантеона, выписывает затейливую фигуру, постоянно изменяя плоскость колебаний относительно Земли. Точнее, это Земля изменяет свою позицию относительно маятника. Как тарелка.

Тот факт, что Земля вращается вокруг своей оси, сегодня известен каждому школьнику. Однако не всегда люди были убеждены в этом: обнаружить вращение Земли, находясь на ее поверхности, достаточно трудно. Конечно, можно догадываться, что суточное движение небесных тел по небесной сфере – это и есть проявление вращения Земли. Но видится нам это явление именно как движение Солнца и звезд по небу.

В середине XIX века Жан Бернард Леон Фуко смог провести опыт, который демонстрирует вращение Земли достаточно наглядно. Опыт этот был проведен неоднократно, а публично сам экспериментатор представил его в 1851 году в здании Пантеона в Париже.

Здание Парижского Пантеона в центре венчает громадный купол, к которому была прикреплена стальная проволока длиной 67 м. К этой проволоке подвесили массивный металлический шар. По разным источникам, масса шара составляла от 25 до 28 кг. Проволока крепилась к куполу таким образом, чтобы получившийся маятник мог качаться в любой плоскости.

Маятник совершал колебания над круглым постаментом диаметром 6 м, по краю которого был насыпан валик из песка. При каждом качании маятника острый стержень, укрепленный на шаре снизу, оставлял на валике отметку, сметая с ограждения песок.

Для того, чтобы исключить влияние подвеса на маятник Фуко, применяют специальные подвесы (рис. 4). А для того, чтобы избежать бокового толчка (то есть, чтобы маятник качался строго в плоскости), шар отводят в сторону, привязывают к стене, а затем пережигают веревку.

Период колебаний маятника, как известно, может быть рассчитан по формуле:

Подставляя в эту формулу длину маятника l = 67 м и значение ускорения свободного падения g = 9,8 м/с 2 , получаем, что период колебаний маятника в опыте Фуко составлял T ≈ 16,4 с.

По прошествии каждого периода новая отметка, производимая острием стержня на песке, оказывалась примерно в 3 мм от предыдущей. За первый час наблюдений плоскость качаний маятника повернулась на угол около 11° по часовой стрелке. Полный же оборот плоскость маятника совершила примерно за 32 часа.

Опыт Фуко производил огромное впечатление на наблюдавших его людей, которые будто бы непосредственно ощущали движение земного шара. Среди зрителей, наблюдавших опыт, был и Л. Бонапарт, через год провозглашенный императором Франции Наполеоном III. За проведение опыта с маятником Фуко был удостоен Ордена Почетного легиона – высшей награды Франции.

В России маятник Фуко длиной 98 м был установлен в Исакиевском соборе в Ленинграде. Обычно показывался такой удивительный эксперимент – устанавливался на полу спичечный коробок чуть поодаль от плоскости вращения маятника. Пока гид рассказывал о маятнике, плоскость его вращения поворачивалась и стержень, укрепленный на шаре, сбивал коробок.

В основу опыта был положен уже известный в то время экспериментальный факт: плоскость качания маятника на нити сохраняется независимо от вращения основания, к которому подвешен маятник. Маятник стремится сохранить параметры движения в инерциальной системе отсчета, плоскость которой неподвижна относительно звезд. Если поместить маятник Фуко на полюсе, то при вращении Земли плоскость маятника будет оставаться неизменной, и наблюдатели, вращающиеся вместе с планетой, должны видеть, как плоскость качаний маятника поворачивается без воздействия на него каких-либо сил. Таким образом, период вращения маятника на полюсе равен периоду обращения Земли вокруг своей оси – 24 часам. На других широтах период будет несколько больше, т. к. на маятник действуют силы инерции, возникающие во вращающихся системах – силы Кориолиса. На экваторе плоскость маятника вращаться не будет – период равен бесконечности.

Более 500 лет назад польский астроном Николай Коперник впервые показал, что Земля вращается. Однако наглядно доказать это трудно. Хотя окружная скорость земной поверхности и достигает на экваторе огромной цифры- 465 метров в секунду, но мы не замечаем ее, так как сами вращаемся вместе с Землей.
Важнейшее проявление вращения Земли - смена дня и ночи не являлось прямым подтверждением этого явления. До Коперника предполагали, что Земля неподвижна, а вращаются миры, окружающие ее. Другие проявления вращения Земли, как, например, отклонение течения рек и искривление направления постоянных ветров, дующих в тропическом поясе, становятся заметными лишь при длительных наблюдениях и, очевидно, не могут наглядно подтвердить вращение Земли. Доказательство этого факта было дано спустя три столетия после открытия Коперника, когда Фуко в 1851 году подвесил свой маятник под куполом парижского Пантеона.
В 1931 году в Ленинграде, в здании бывшего Исаакиевского собора, также был установлен маятник Фуко. Этот маятник представляет собой тяжелый (54 кг) шар с длинным острием. Он подвешен на тонкой проволоке, которая укреплена под куполом собора на высоте 98 метров в стакане с шарикоподшипником, что не позволяет проволоке закручиваться. На полу, под маятником, расположены сектора, размеченные на градусы.
Опыт Фуко основан на свойстве маятника сохранять все время одну и ту же плоскость качания, как бы ни поворачивалась опора его подвеса. Перед началом опыта острие шара устанавливают над чертой сектора, обозначенной как О градусов, и, отведя шар в сторону, привязывают тонкой ниткой, которую затем пережигают. После этого маятник начинает качаться в неизменной плоскости с периодом колебаний в 20 секунд. Примерно через 5 минут сектор под маятником поворачивается на 1 градус против часовой стрелки, что. и определяет направление и угловую скорость вращения Земли.
Из приведенного описания легко установить основной недостаток опыта Фуко: демонстрировать его можно только в очень высоких помещениях, так как с уменьшением размеров маятника отклонение плоскости качания от начального положения за ограниченный промежуток времени становится все менее заметным.
Со дня первого опыта Фуко ученым не удалось предложить новых наглядных пособий и методов доказательства вращения Земли, хотя делались многочисленные попытки создать для этого специальные приборы. Упомянем хотя бы о многократно повторявшемся опыте падения тел с высоты, при котором тело отклоняется к востоку, то есть по направлению вращения Земли. Однако величина этого отклонения невелика. Например, при высоте 85 метров в средних широтах она составляет всего около 10 миллиметров. Таким образом, этот опыт для наглядной демонстрации непригоден.
Изучение вращения Земли продолжает оставаться актуальным и для наших дней. Это необходимо для атеистической пропаганды, для астрономических наук, а в школах и институтах - для физических опытов. В течение ряда лет мы работали над созданием наглядных приборов, которые могли бы показать суточное вращение Земли. Приборы, сконструированные нами, отличаются от маятника Фуко в основном тем, что не отстают от вращающейся Земли, а обгоняют ее. Опишем кратко устройство некоторых из них. Основным таким прибором является вращающийся маятник. Его главная часть - прямоугольная рамка, опирающаяся на два острия. Внутри рамки на горизонтальной оси может вращаться стержень с двумя равными грузами. В движение он приводится двумя пружинами. Для регистрации поворота прибора к рамке прикреплена стрелка. Чтобы привести прибор в действие, стержень вращают рукой до полного растяжения пружин. Затем он устанавливается горизонтально и привязывается к рамке тонкой ниткой. Через несколько секунд стрелка перестает дрожать, следовательно, прибор относительно вращающейся Земли не перемещается. Его пуск осуществляется простым пережиганием нитки.
Под действием пружин стержень начинает вращаться, и через 15- 20 секунд, как только он разовьет достаточное для преодоления трения в центрах рамки число оборотов, прибор обгоняет вращающуюся Землю. Наблюдатели регистрируют это движение по отклонению стрелки от начального положения. Таким образом обнаруживается вращение Земли и направление этого движения против часовой стрелки. Весь процесс, включая завод маятника, занимает не более 4-5 минут.
Действие прибора основано на известном в физике законе сохранения момента количества движения в случае вращения тел. Согласно этому закону, произведение веса каждой частицы тела на расстояние от оси вращения и на скорость должно оставаться постоянным. В нашем приборе расстояние грузов на стержне от вертикальной оси имеет наибольшее значение при горизонтальном положении стержня, то есть в момент пережигания нити, и наименьшее значение в то время, когда он проходит через вертикаль. До пережигания нити стержень, участвуя во вращении Земли, имеет угловую скорость относительно вертикальной оси, равную скорости вращения Земли. После того как нить пережигается, расстояние грузов от вертикальной оси меняется, но остается всегда меньше, чем при пуске прибора. Поэтому такое уменьшение расстояния сопровождается увеличением угловой скорости грузов и всего прибора относительно Земли. В результате прибор обгоняет Землю и поворачивается вокруг вертикальной оси на некоторый угол, указываемый стрелкой.
При высоте в 2400 миллиметров и весе 9 килограммов (в том числе вес грузов 3 килограмма) скорость вращения рамки прибора превышает скорость вращения Земли примерно в 15 раз. Это значит, что при непрерывном вращении стержня с грузами, например, от электродвигателя, рамка прибора на широте Ленинграда сделает в сутки полных 13 оборотов. При увеличении высоты до 3000 миллиметров с соответственным увеличением веса грузов скорость вращения прибора превысит скорость вращения Земли примерно в 25 раз, что еще более увеличит наглядность опыта.
Вращающийся маятник выгодно отличается от маятника Фуко своими незначительными размерами, позволяющими устанавливать его в небольшом помещении, краткостью времени, в течение которого влияние суточного вращения Земли на прибор становится заметным наблюдателям, и, наконец, его невысокой стоимостью. Однако вращающийся маятник неудобен тем, что его необходимо заводить перед пуском. Это может быть устранено заменой пружинного привода электродвигателем.
Разработанный нами другой прибор - качающийся маятник - основан на принципе действия вращающегося маятника, но отличается от него отсутствием пружин. Кроме того одинаковые грузы в нем заменены грузами разного веса. Перед демонстрацией стержень с грузами также привязывают нитью к рамке, затем нить пережигают, и прибор действует аналогично вращающемуся маятнику. Его отличие от маятника Фуко заключается в том, что он имеет негибкий стержень, который может качаться лишь в плоскости рамы, поэтому вращение Земли вызывает вращение всей рамы в центрах, вокруг вертикальной оси.
Вращающийся и качающийся маятники нашей конструкции установлены и демонстрируются в Московском планетарии.
Следует отметить, что эти приборы позволяют непосредственно измерить силы, возникающие при движении всех тел на вращающейся Земле. Для того чтобы выполнить такое измерение, на вертикальную ось рамки прибора в направлении против часовой стрелки наматывается нить, которая затем перекидывается через блок. К концу нити привязывается гиря весом в 5-10 граммов. Таким образом на оси маятника создается дополнительный момент сил, увеличивающий эффект вращения Земли на прибор. Стрелка при работе прибора отклоняется на угол, значительно больший, чем при пуске без гири.
Затем та же нить наматывается на ось в направлении по часовой стрелке, и создается момент сил, уменьшающий эффект вращения Земли на прибор. Стрелка при этом отклоняется на угол, значительно меньший, чем при пуске с гирей в первом опыте. По разности углов отклонения стрелки и весу гири можно легко определить величину сил, возникающих от вращения Земли.

МАЯТНИК ФУКО, устройство, наглядно демонстрирующее вращение Земли. Его изобретение приписывают Ж.Фуко (1819–1868). Вначале опыт был выполнен в узком кругу, но так заинтересовал Л.Бонапарта (позднее ставшего Наполеоном III , французским императором), что он предложил Фуко повторить его публично в грандиозном масштабе под куполом Пантеона в Париже . Эту публичную демонстрацию, устроенную в 1851, и принято называть опытом Фуко.

Под куполом здания Фуко подвесил металлический шар массой 28 кг на стальной проволоке длиной 67 м. В отличие от часового маятника, который может качаться только в одной плоскости, у маятника Фуко верхний конец проволоки был закреплен таким образом, чтобы он мог качаться одинаково свободно во всех направлениях. Под маятником было сделано круговое ограждение радиусом 6 м с центром прямо под точкой подвеса. На ограждение был насыпан песок, чтобы при каждом качании прикрепленное под шаром маятника металлическое острие могло сметать его на своем пути. Чтобы обеспечить пуск маятника без бокового толчка, его отвели в сторону и привязали веревкой. После того как маятник после привязывания пришел в состояние полного покоя, веревку пережгли и маятник пришел в движение.

Маятник такой длины совершает одно полное колебание за 16,4 с, и 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°51ў 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.)