Техника - молодёжи 1963-04, страница 13

МАЯТНИК В ПОЛКИЛОМЕТРА ВЫСОТОЙ

Говорят, что показать — значит доказать. Со школьной скамьи мы приучены к тому, что Земля вращается. Но видел ли кто-нибудь это вращение? И вообще можно ли его увидеть?

Пожалуй, самое простое и наглядное доказательство вращения Земли — знаменитый опыт Фуко с маятником.

УДИВИТЕЛЬНЫЙ ОПЫТ ФУКО

Маятник — любое твердое тело, подвешенное так, что оно может колебаться. Например, металлический шарик на нити.

Маятник имеет одно интересное свойство. Если его привести в колебательное движение, то плоскость колебаний будет оставаться постоянной независимо от поворота стойки. На это свойство маятника и натолкнулся Фуко.

Фуко производил первые опыты с маятником в погребе своего дома. Стальная проволока маятника, закрепленная под сводом, имела длину всего лишь 2 м, а груз — латунный шар — весил 5 кг. Но в апреле 1851 года Фуко продемонстрировал свой опыт в парижском Пантеоне. Маятник длиною уже в 67 м совершал колебательные движения, а стержень на конце чечевицы весом в 28 кг в момент наибольшего отклонения прочерчивал на песке следы справа налево. Было очевидно, что Земля (вместе со зданием Пантеона, полом и песком) поворачивается вокруг своей оси против часовой стрелки.

Самая крупная демонстрация опыта Фуко не только в нашей стране, но и в мире состоялась в Ленинграде в 1931 году в помещении Исаакиевско-го собора. В так называемую «пасхальную ночь» с 11 на 12 апреля в собор, ставший антирелигиозным музеем, пришла небывалая экскурсия — 7 тыс. человек. Да и масштабы опыта были грандиозны. Исаакиевский собор — одно из самых высоких купольных зданий мира (101,5 м). Это позволило подвесить гигантский маятник: длина стальной проволоки — 98 м, а бронзовый шар, отлитый из церковных подсвечников, имел вес 60 кг.

Как ни прост, ни нагляден опыт Фуко, он все же имеет два существен

ных недостатка. Для эффективности опыта необходима большая длина подвеса маятника, а высоких и свободных внутри зданий почти нет (это главным образом соборы). В Ленинградском планетарии для установки маятника пришлось сделать отверстие в потолке второго этажа, но полученная длина (10 м) настолько мала, что демонстрация опыта Фуко почти не имеет эффекта. Второй недостаток принципиальный: опыт Фуко только доказывает вращение Земли, но не позволяет его в и-деть.

НАХОДКА ВОЗРОЖДАЕТ ИДЕЮ

Ежедневно демонстрируя опыт Фуко в Исаакиевском соборе, я пришел к выводу, что большинство наблюдающих даже не может заметить, как сокращается расстояние между спичечным коробком и стержнем на конце маятника с каждым его новым взмахом. Эффект опыта для многих заключается всего лишь в ударе стержня маятника по спичечному коробку. Я стал думать, как бы сделать опыт более наглядным. Помогло ясное представление физической сути явления. Во время демонстрации опытов я мысленно почти чувствовал под ногами вращение Земли, и мой взгляд все чаще через головы посетителей падал на стену собора. Ведь она в те же 5 мин. демонстрации опыта поворачивается значительно быстрее, чем круг пола под маятником, так как удалена от центра подвеса на гораздо большее расстояние и за то же время проходит больший путь. Но как «уловить», сделать видимым движение стены, то есть Земли?

Труднее всего мне было прийти к мысли использовать для этой цели гироскоп. Никакой литературы вначале я не смотрел, а позже, когда конструкция прибора уже созрела, я узнал, что идея использовать гироскоп для доказательства вращения Земли принадлежит тому же Фуко. Но удовлетворительного практического результата он получить не смог, поскольку уровень технических средств был невысок и Фуко не мог воспользоваться электрическим током для сообщения гироскопу очень большого числа оборотов.

ГИРОСКОП ЗАМЕНЯЕТ МАЯТНИК

Е ели массивный ротор установить в карданов подвес и привести его в быстрое вращение, то гироскоп приобретает замечательное свойство: ось (или плоскость) «ращения ротора будет сохранять свое направление в пространстве неизменным. Направленная на какую-нибудь звезду, ось так и будет «смотреть» на нее, не реагируя на любое изменение положения подставки. И, конечно, ось вращения совершенно не станет «обращать внимания» на суточное вращение Земли, то есть на поворот подставки вместе со столом и зданием.

Итак, гироскоп вместо маятника. Но трудность теперь вот в чем. Если амплитуда маятника в Исаакиевском Соборе примерно 5 м, то ось гироскопа всего 10 см. Каким же образом ее можно увеличить, чтобы продлить за максимальный размах маятника и «дотянуть» до самой стены?

Лучше всего для этой цели воспользоваться световым лучом. Для того чтобы видеть движение Земли под неподвижным лучом, я принял эту скорость равной 100 мм в минуту. Тогда за час луч должен пройти дугу в 6 м. И в то же время луч проходит угол в 13° (на широте Ленинграда). Из этих данных нетрудно вычислить длину светового луча, которая оказалась равной 26,5 м. Если взять большую длину луча, то и вращение Земли можно наблюдать при большей скорости поворота.

Прибор для наблюдения за вращением Земли — свободный уравновешенный гироскоп, на наружном кольце которого установлен миниатюрный проектор. Вся система подвешена сверху на незакрученной капроновой нити, а снизу — на оси в подшипнике.

20 апреля 1960 года в Ленинградском планетарии состоялась первая демонстрация прибора. В большом круглом зале полумрак. «Юпитер» включен, слышно жужжание гиромотора. Скорость вращения — 6 тыс. об/мин. Через весь зал протянулся тонкий и яркий луч длиною 26,5 м. Он падает на широкую шкалу с делениями. В центре светового пятна — темно-фиолетовая риска.

Риска медленно ползет по шкале. Кажется, что поворачивается световой проектор. Но это не так! Луч неподвижно зафиксирован в пространстве. Поворачиваются Земля, стены планетария, шкала, приколотая к стене. Мы своими глазами видим, как вращается вокруг своей оси планета Земля.

Если уподобить работу «юпитера» маятнику, то длина луча прибора здесь будет не чем иным, как амплитудой колебаний маятника, но уже значительно большей. Для того чтобы получить маятник с такой амплитудой, пришлось бы длину его подвеса взять свыше 500 м. Но даже такой маятник не позволил бы непрерывно видеть, как вращается земной шар.

Маленький гироскоп оказался в состоянии заменить гигантский маятник. В скором времени вращение нашей планеты можно будет видеть не только в планетариях, но и школах.

Ю. КУЗНЕЦОВ

Ленинград

Рис. Р. АВОТИНА

9