Pendulul lui FoucaultPendulul lui Foucault a constituit un experiment celebru pus în practică de către Jean Bernard Léon Foucault. Experimentul a confirmat rotaţia Pământului în jurul axei sale. A fost realizat pentru prima dată în faţa publicului în 1851, sub cupola Panteonului din Paris.

 

 

 

Cine e realizatorul experimentului?

Jean Bernard Léon Foucault (1819 -1868) a fost un fizician francez cunoscut pentru acest montaj experimental care este amplasat şi astăzi în diverse locuri (o lista a lor poate fi găsită pe Wikipedia). De asemenea, Foucault s-a preocupat şi de calculul vitezei luminii, iar pe Lună există un crater care îi poartă numele.

 

Jean Bernard Leon Foucault

 

În ce constă experimentul şi cum a fost realizat?

Pentru realizarea experimentului a fost folosit un corp cu masa de 28 de kilograme, suspendat de un fir inextensibil de lungime egală cu 70 metri. Perioada de rotaţie a acestui pendul a fost de 17 secunde. La nivelul solului, direct sub punctul de suspensie, s-a aşezat un disc având raza de 3 metri în care s-a pus nisip. Un vârf metalic al corpului zgâria nisipul la fiecare oscilaţie. Pentru oscilaţii mici mişcarea corpului se făcea practic în planul orizontal al locului. S-a constatat că  într-o oră planul de oscilaţie s-a modificat cu un unghi de 11 grade. O rotaţie completă a planului de oscilaţie a avut loc în 32 ore.

 

 

Pendulul lui Foucault

 

Explicaţia fenomenului

Cauza principală a fenomenului Foucault este acţiunea forţei Coriolis. Forța Coriolis este o forţă de inerţie care se manifestă în cazul mişcării relative într-un sistem rotitor de coordonate. Un caz particular al acestei forţe apare în cazul rotaţiei Pământului, care se deplasează în jurul propriei axe cu o viteză de rotaţie mai mare la Ecuator decât la poli. Forța Coriolis este slabă la Ecuator şi creşte spre poli.

Consecinţele existenţei acestei forţe se referă la faptul că obiectele aflate în mişcare, curenţii atmosferici (alizeele) şi curenţii marini din emisfera nordică sunt deviaţi spre dreapta, iar în emisfera sudică spre stânga. Fenomenul poartă numele de efectul Coriolis şi este denumit după descoperitorul său, Gaspard de Coriolis (1792-1843).

Revenind la experimentul nostru şi admiţând că mişcarea pendulului este declanşată în emisfera nordică, pe meridian spre nord, atunci forţa Coriolis deplasează corpul spre est. La întoarcere forţa deplasează corpul spre vest, adică tot spre dreapta unui observator legat solidar de corp.

Distingem două situaţii. Dacă mişcarea este declanşată fără viteză iniţială, din poziţia extremă, în planul orizontal local, corpul nu se va mişca pe diametrul cercului, ci va descrie o formă complexă de roză, prin deviere permanentă spre dreapta, fără să treacă prin centrul cercului. Dacă însă pendulul porneşte cu viteză iniţială din centrul cercului orizontal el va trece mereu prin centru.

 

 

"Întregul Univers se află în marea sală a Panteonului din Paris. El dirijează pendulul fixat de cupolă", afirma fizicianul german Mach.

Aşadar, aparent putem vorbi de o rotaţie a planului de oscilaţie al pendulului, însă în realitate cel care se roteşte este chiar Pământul, planul de oscilaţie rămânând fix. Dar problema nu se rezolvă definitiv astfel, pentru că nu există mişcare absolută. Rotaţia Pământului trebuie să fie raportată la un corp care nu se mişcă.

 

 

Un scenariu fictiv

Să reluăm experimentul cu un scenariu fictiv, închipuindu-ne că Pământul este acoperit cu un strat de nori, perfect opac, precum suprafaţa planetei Venus. În aceste condiţii nu se ştie nimic despre Soare, nici măcar dacă există. Totuşi fizica a ajuns la nivelul la care un experimentator, precum Foucault, încearcă să explice problema pendulului său.

Admitem că pendulul rămâne instalat la Paris, astfel încât într-o zi, din cauza efectului de latitudine, parcurge doar o parte din cerc. Foucault nu ştie că Pământul se roteşte şi nimeni nu poate să-i spună de ce se roteşte pendulul său şi de cine depinde perioada.

Dar atmosfera devine transparentă. Foucault observă Soarele şi stelele care străbat periodic bolta cerească. Foucault constată că perioada pendulului este aceeaşi cu perioada în care stelele fac o rotaţie completă. El porneşte pendulul astfel încât Soarele se află în planul de oscilaţie iniţial. În timp ce Soarele se mişcă (aparent) pe cer, planul de oscilaţie se roteşte ca şi cum ar vrea să rămână orientat după Soare, dar este acest lucru un fenomen exact?

Foucault măreşte lungimea pendulului, modifică modul de suspendare şi măreşte perioada pendulului. El observă atunci că Soarele are o abatere (derivă) lentă, în afara planului pendulului. După o lună (30 zile), s-a îndepărtat cu 15 grade ca şi cum planul de oscilaţie s-ar roti mai repede decât Soarele. Foucault se hotărăşte să-şi orienteze pendulul nu după Soare, ci după steaua cea mai strălucitoare, Sirius. Rezultatul este mult mai bun. Timp de mai multe luni Sirius rămâne în planul pendulul. La fel se întâmplă şi cu Vega sau Arcturus. Oare ansamblul stelelor fixează orientarea planului de oscilaţie?

În anii următori Foucault constată că şi stelele strălucitoare îl "trădează", părăsind încet, dar inexorabil, planul pendulului. Între timp astronomii au stabilit că şi stelele se rotesc în jurul centrului galaxiei. Ar trebui atunci ales ca reper centrul galaxiei sau ar trebui mers mai departe, de exemplu către Norul lui Magellan sau constelaţia Andromeda? Da, dar în toate cazurile, e drept că după perioade mult mai mari, şi aceste repere derivă în afara planului de oscilaţie al pendulului.

Foucault observă că fidelitatea faţă de planul de oscilaţie este proporţională cu distanţa până la corpul de referinţă. Alegând ca ultim reper un ansamblu de galaxii situate la mai multe miliarde de ani lumină, obţine în sfârşit un aliniament stabil, în limitele unei infime corecţii datorate relativităţii generalizate. Pendulul lui Foucault "ignora" prezenţa micii noastre planete, cu toată apropierea ei, pentru a-şi alinia comportamentul la ansamblul galaxiilor care conţin cea mai mare parte a materiei Universului.

Totul se petrece ca şi cum planul de oscilaţie ar fi constrâns să rămână nemişcat faţă de Univers în ansamblul său. În limbajul mecanicii se poate spune că dintre toate sistemele aflate în rotaţie relativă, există unul faţă de care corpurile se mişcă liber, în linie dreaptă. Este vorba de un sistem de referinţă riguros inerţial.

 

 

Bibliografie:
Wikipedia