Pendulul lui Foucault si efectul Coriolis

 

Pendulul lui Foucault a constituit un experiment celebru pus în practica de catre Jean Bernard Léon Foucault. Experimentul a confirmat rotatia Pamântului în jurul axei sale. A fost realizat pentru prima data în fata 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 si astazi în diverse locuri (o lista a lor poate fi gasita pe Wikipedia). De asemenea, Foucault s-a preocupat si de calculul vitezei luminii, iar pe Luna exista un crater care îi poarta numele.

În ce consta experimentul si 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 egala cu 70 metri. Perioada de rotatie a acestui pendul a fost de 17 secunde. La nivelul solului, direct sub punctul de suspensie, s-a asezat un disc având raza de 3 metri în care s-a pus nisip. Un vârf metalic al corpului zgâria nisipul la fiecare oscilatie. Pentru oscilatii mici miscarea corpului se facea practic în planul orizontal al locului. S-a constatat ca  într-o ora planul de oscilatie s-a modificat cu un unghi de 11 grade. O rotatie completa a planului de oscilatie a avut loc în 32 ore.

Explicatia fenomenului

Cauza principala a fenomenului Foucault este actiunea fortei Coriolis. Forta Coriolis este o forta de inertie care se manifesta în cazul miscarii relative într-un sistem rotitor de coordonate. Un caz particular al acestei forte apare în cazul rotatiei Pamântului, care se deplaseaza în jurul propriei axe cu o viteza de rotatie mai mare la Ecuator decât la poli. Forta Coriolis este slaba la Ecuator si creste spre poli.

Consecintele existentei acestei forte se refera la faptul ca obiectele aflate în miscare, curentii atmosferici (alizeele) si curentii marini din emisfera nordica sunt deviati spre dreapta, iar în emisfera sudica spre stânga. Fenomenul poarta numele de efectul Coriolis si este denumit dupa descoperitorul sau, Gaspard de Coriolis (1792-1843).

Revenind la experimentul nostru si admitând ca miscarea pendulului este declansata în emisfera nordica, pe meridian spre nord, atunci forta Coriolis deplaseaza corpul spre est. La întoarcere forta deplaseaza corpul spre vest, adica tot spre dreapta unui observator legat solidar de corp.

[embedded content]

Distingem doua situatii. Daca miscarea este declansata fara viteza initiala, din pozitia extrema, în planul orizontal local, corpul nu se va misca pe diametrul cercului, ci va descrie o forma complexa de roza, prin deviere permanenta spre dreapta, fara sa treaca prin centrul cercului. Daca însa pendulul porneste cu viteza initiala din centrul cercului orizontal el va trece mereu prin centru.

“Întregul Univers se afla în marea sala a Panteonului din Paris. El dirijeaza pendulul fixat de cupola”, afirma fizicianul german Mach.

Asadar, aparent putem vorbi de o rotatie a planului de oscilatie al pendulului, însa în realitate cel care se roteste este chiar Pamântul, planul de oscilatie ramânând fix. Dar problema nu se rezolva definitiv astfel, pentru ca nu exista miscare absoluta. Rotatia Pamântului trebuie sa fie raportata la un corp care nu se misca.

Un scenariu fictiv

Sa reluam experimentul cu un scenariu fictiv, închipuindu-ne ca Pamântul este acoperit cu un strat de nori, perfect opac, precum suprafata planetei Venus. În aceste conditii nu se stie nimic despre Soare, nici macar daca exista. Totusi fizica a ajuns la nivelul la care un experimentator, precum Foucault, încearca sa explice problema pendulului sau.

Admitem ca pendulul ramâne instalat la Paris, astfel încât într-o zi, din cauza efectului de latitudine, parcurge doar o parte din cerc. Foucault nu stie ca Pamântul se roteste si nimeni nu poate sa-i spuna de ce se roteste pendulul sau si de cine depinde perioada.

Dar atmosfera devine transparenta. Foucault observa Soarele si stelele care strabat periodic bolta cereasca. Foucault constata ca perioada pendulului este aceeasi cu perioada în care stelele fac o rotatie completa. El porneste pendulul astfel încât Soarele se afla în planul de oscilatie initial. În timp ce Soarele se misca (aparent) pe cer, planul de oscilatie se roteste ca si cum ar vrea sa ramâna orientat dupa Soare, dar este acest lucru un fenomen exact?

Foucault mareste lungimea pendulului, modifica modul de suspendare si mareste perioada pendulului. El observa atunci ca Soarele are o abatere (deriva) lenta, în afara planului pendulului. Dupa o luna (30 zile), s-a îndepartat cu 15 grade ca si cum planul de oscilatie s-ar roti mai repede decât Soarele. Foucault se hotaraste sa-si orienteze pendulul nu dupa Soare, ci dupa steaua cea mai stralucitoare, Sirius. Rezultatul este mult mai bun. Timp de mai multe luni Sirius ramâne în planul pendulul. La fel se întâmpla si cu Vega sau Arcturus. Oare ansamblul stelelor fixeaza orientarea planului de oscilatie?

În anii urmatori Foucault constata ca si stelele stralucitoare îl “tradeaza”, parasind încet, dar inexorabil, planul pendulului. Între timp astronomii au stabilit ca si stelele se rotesc în jurul centrului galaxiei. Ar trebui atunci ales ca reper centrul galaxiei sau ar trebui mers mai departe, de exemplu catre Norul lui Magellan sau constelatia Andromeda? Da, dar în toate cazurile, e drept ca dupa perioade mult mai mari, si aceste repere deriva în afara planului de oscilatie al pendulului.

Foucault observa ca fidelitatea fata de planul de oscilatie este proportionala cu distanta pâna la corpul de referinta. Alegând ca ultim reper un ansamblu de galaxii situate la mai multe miliarde de ani lumina, obtine în sfârsit un aliniament stabil, în limitele unei infime corectii datorate relativitatii generalizate. Pendulul lui Foucault “ignora” prezenta micii noastre planete, cu toata apropierea ei, pentru a-si alinia comportamentul la ansamblul galaxiilor care contin cea mai mare parte a materiei Universului.

Totul se petrece ca si cum planul de oscilatie ar fi constrâns sa ramâna nemiscat fata de Univers în ansamblul sau. În limbajul mecanicii se poate spune ca dintre toate sistemele aflate în rotatie relativa, exista unul fata de care corpurile se misca liber, în linie dreapta. Este vorba de un sistem de referinta riguros inertial.

Bibliografie:
Wikipedia

 
 
MixDeCultura 208 18-12-2016 Vali
    Acest articol nu are niciun comentariu
ADAUGA COMENTARIU

 
Online 11 Pagina incarcata in 0.237123966217 secunde