Многие открытия совершаются либо случайно, либо под давлением нестандартных обстоятельств. Если вы действуете, так как учили, то и пойдете путем уже истоптанным, будете повторять открытия учителя и его ошибки. Вот так случилось и и с маятником Фуко, который был открыт более 150 лет назад. Сейчас выясняется, что Фуко наградил человечество не только открытием, но и ошибочными взглядами. Дело в том, что постоянная скорость вращения плоскости колебаний маятника Фуко оказалась мифом, она переменна. Но сначала вернемся к обстоятельствам, все последователи Фуко экспериментировали, как и он, на очень длинных и массивных маятниках. А вот у нас под руками такого маятника не оказалось, пришлось строить из подручного материала и вешать на доступную высоту. Высота потолков продиктовала длину маятника всего 2,7 м, груз пришлось подвешивать на нитку, ничего боле подходящего не нашлось. А роль груза на себя взяла стеклянная бутылка емкостью 0,33 л заполненная песком, пролитым для плотности еще и водой. В итоге общий вес маятника оказался порядка 1 килограмма. Каково же было удивление экспериментатора, когда при первых пусках маятник сначала вращал плоскость качания с бешеной скоростью (60 градусов/час), но потом замедлял вращение вплоть до полной остановки. Причем новый пуск в плоскости остановки почти ничего не менял, наоборот, маятник сначала даже начинал вращение в обратную сторону, но потом, как бы одумавшись, продолжал вращение в нужном направлении, но очень и очень медленно. Иногда маятник отказывался подчиняться и этим закономерностям, приобретал другие странности, часто не предсказуемые. Эти странности еще можно списать на поведение самой Земли, которая  могла вздрагивать и увлекать за собой маятник, но вот полную остановку плоскости вращения маятника, причем регулярную, нужно было объяснять какой-то теорией. К тому же нужна убедительная версия, почему до нас эти странности маятника никто не заметил. Нет, был Аллэ, который тоже обнаружил странное поведение маятника Фуко во время солнечного затмения. Но, это же во время затмения, а здесь на каждом шагу затмение.  Вот волей неволей пришлось заняться теорией. Возник вопрос, что такое ускорение Кориолиса и как оно вращает маятник?

 

 

      Обратимся к выше изображенной схеме, на которой маятник Фуко качается в произвольной точке Земли, но вдоль меридиана.  На схеме видно, что маятник имеет в северном крайнем положении наименьшую окружную скорость за счет минимального радиуса вращения, а в крайнем южном положении наивысшую окружную скорость за счет максимального радиуса вращения. Теперь отметим, маятник, начиная движение с крайнего северного положения, будет отставать от центра вращения, у него окружная скорость меньше, чем у точки крепления, опять же за счет разных радиусов вращения. Следовательно, маятник будет двигаться не в плоскости колебаний, а описывать определенный конус относительно оси колебаний, причем, сам маятник приобретает момент вращения против часовой стрелки, в крайней южной точке он не вернется в первоначальную плоскость колебаний, а отстанет от нее, то есть плоскость качания маятника приобретает скорость вращения по часовой стрелке. Повторим, маятник за счет ускорения Кориолиса (разности окружных скоростей) приобретает момент вращения против часовой стрелки, а его плоскость (вернее сказать конус колебаний) по часовой стрелке.Когда движение маятника начинается с крайней южной точки, то теперь маятник по конусу вращения уже опережает точку крепления и описывает конус  впереди условной плоскости колебаний.  Но и на этом этапе маятник приобретает момент вращения против часовой стрелки, а его условная плоскость вращения (конус вращения) приобретает момент вращения снова по часовой стрелке.

      Теперь рассмотрим случай, когда маятник качается не по меридиану, а по параллели. В этом варианте скорость вращения Земли не меняется при движении маятника от одного крайнего положения к другому (все действия происходят на одном и том же радиусе), причем вектор скорости маятника, всегда направлен на ось точка крепления – центр притяжения. Поэтому здесь колебания маятника будут происходить не в условной плоскости колебаний, а в реальной, ни маятник, ни плоскость колебаний никакого момента  вращения не получают (и само ускорение Кориолиса отсутствует). Не трудно заметить, что при повороте условной плоскости колебаний от меридиана к параллели разность радиусов крайних точек будет сокращаться по закону синусов, следовательно и скорость поворота плоскости вращения будет падать по этому же закону, пока на параллели не превратится в нуль, маятник попадает в мертвую зону, будем ее дальше называть зоной нулевого вращения. Таким образом теоретически мы доказали, что на земной параллели должны останавливать свое вращение все маятники длинные они или короткие. Но почему тогда короткий маятник, как и положено по теории, остановился, а длинные маятники проскакивали эту зону? Вот именно проскакивали за счет своей колоссальной инерции, короткому этой инерции не хватило. Если длинный маятник запускать не по меридиану, а по параллели, то и длинный маятник не должен вращаться. Почему этот момент не заметили? Возможно кто-то и заметил, но так как это противоречило принятой теории, то отбросил как брак. Еще уточним, мы рассматривали только действие на маятник ускорения Кориолиса от вращения Земли. Есть вторичные эффекты от вращения Луны, Солнца, от колебаний самой Земли, поэтому длинные маятники могут «проползать» зону нулевого вращения за счет этих эффектов. Короче, поведение длинных маятников нужно переизучать  по новой, а на коротких подтвердить наши результаты.

    В работе «Маятник Фуко – парадоксы теории», мы вели разговор о том, что в потенциальном поле работа по замкнутому контуру равна нулю, следовательно ускорению Кориолиса как бы вообще теоретически запрещено вращать плоскость колебаний маятника Фуко, но здесь есть лазейка, если колебания затухающие, то движение маятника происходит уже не по замкнутому контуру, и запрет не действует. Причем, чем быстрее затухают колебания, тем быстрее вращается плоскость колебаний. Это легко доказывается и теоретически, но мы этим заниматься здесь не будем, а напомним читателям, что на коротком маятнике мы получили максимальную скорость вращения 60 градусов/час, тогда как на длинных маятниках никто скорость вращения  выше 10-15 градусов/час не получал. Длинные маятники массивные, там сопротивление воздуха на единицу массы гораздо меньше, чем на коротком. Если короткий маятник сделать массивным, то потребуется толстая нить подвески, в этом варианте сопротивление подвеса недопустимо возрастет. А теперь, когда открыто, что от затуханий зависит скорость вращения, то и подавно массивность маятника нужно ограничивать. В связи с теоремой о работе по замкнутому контуру, любопытно рассмотреть как должен себя вести идеальный маятник Фуко, в котором любые потери энергии отсутствуют. В этом случае колебания все равно должны быть затухающими, но закон сохранения энергии предписывает колебательную энергию превращать во вращательную энергию маятника и плоскости качания. На коротком маятнике данное явление наблюдается следующим образом: когда маятник долго предоставлен сам себе, то колебательные движения затухают, а вращательные еще можно наблюдать. Еще одно следствие из данного вывода для идеального маятника вытекает, идеальный маятник должен раскручиваться все быстрее и быстрее, пока вся колебательная энергия не перетечет во вращение. В жизни идеальных маятников нет, поэтому данный вывод проверить трудно, но короткие маятники выручают и в этом вопросе. Дело в том, что пока у маятника порция  энергии, превращенная из колебательной во вращательную превышает потери энергии за это же цикл, маятник вращается, как только энергии сравниваются, маятник вращается только по инерции. У короткого маятника запас инерции маленький, а удельные потери на сопротивление воздуха большие, то они останавливают вращение раньше, чем доходят до зоны нулевого вращения. Этот момент мы выше упоминали.

 Таковы основные моменты новой теории маятника Фуко. Из этой теории следует, что короткие маятники могут, после детального изучения, применяться для изучения колебаний Земли. Любопытный пример из жизни, многие животные предчувствуют земные катаклизмы. Может их природный маятник Фуко этим занимается, а человек данные способности утратил. Тогда человеку поможет искусственный маятник Фуко. И еще, данная работа не закрывает все вопросы теории маятника Фуко, а только приоткрывает ее первую страницу. Маятник Фуко еще таит в себе много загадок, главное, что начало положено.

 

 

                                        Первоисточники

 

1.      Ерашов В.М. «Маятник Фуко – парадоксы теории» (proza.ru/2015/06/11/352)

2.      «Проблемы с маятником Фуко» (qaxa.ru/zemla-luna/420-2010-02-03-16-41-48.html)

                          22.06.2015