Физика для чайников. Маятник и земной шар

Данная публикация предназначена для российской блог-платформы «Дзен» и для распространения на других платформах.

Из книги Л.Я.Гальперштейна «Забавная физика»:

«Ты, конечно, слышал, что земной шар вращается. Есть несколько доказательств этого вращения. И одно из самых наглядных было найдено французским физиком Фуко. В 1850 году он подвесил огромный маятник в парижском Пантеоне – зале с очень высоким куполом. Длина подвеса была равна 67 м! И шар был весомый – 28 кг. Ведь маятник должен был качаться много часов подряд. Если бы он был лёгким, его скоро остановило бы сопротивление воздуха.

Снизу к шару приделали остриё, а на полу Пантеона насыпали кольцом грядочку из песка. Маятник раскачали. И что же? Через несколько часов маятник чертил бороздки уже совсем в другой части грядочки. Плоскость колебаний маятника Фуко словно поворачивался по часовой стрелке!

На самом деле, конечно, эта плоскость сохраняла прежнее положение.
Вращалась наша планета. Она медленно и величественно поворачивалась против часовой стрелки, увлекая за собой и Пантеон с его куполом и песочной грядкой. И только маятнику это движение Земли не могло передаться. Он ведь был подвешен на гибком тросе!

Опыт Фуко был повторён в Санкт-Петербурге, в огромном Исаакиевском соборе. Тебе, конечно, не разрешат делать опыты в соборе. Но это не беда. Знаменитый опыт Фуко ты можешь повторить у себя дома, на кухонном столе. Яблоко или крупную картофелину проткни тонкой лучинкой так, чтобы кончик вышел наружу. К другому концу привяжи нитку. Получится маятник.

Свободный конец нитки привяжи к булавке, воткнутой в пробку. Установи эту пробку на трёх вилках, воткнутых в неё наискось. Поставь свой треножник на тарелку и отрегулируй длину нитки так, чтобы нижний конец лучинки доходил почти до дна тарелки. У краёв тарелки насыпь две грядочки из мелкой соли. Они заменят песок в опыте Фуко.

Качни теперь маятник. Лучина прочертит следы в грядках соли. При каждом качании маятника конец лучинки будет проходить по прежним следам. Но наша скромная тарелка изображает земной шар. Подражая вращению Земли, начни тихо, без толчков поворачивать тарелку.
Гляди! Направление колебаний маятника осталось прежним. Он продолжает раскачиваться всё в той же плоскости. И поэтому конец щепки оставляет новые следы в стороне от тех, что он чертил прежде.

Весёлая дуэль.
Это самый последний и самый весёлый опыт с маятником.

Вбей рядом два гвоздя. Два куска достаточно жёсткой проволоки согни под прямым углом так, чтобы на сгибе получилось колечко. Колечки эти надень на гвозди. Нижние концы проволок воткни в две одинаковые картофелины. Проткни их насквозь и загни, чтобы картофелины не соскользнули.
Если теперь качнуть правую картофелину, она стукнется о левую и остановится. А её движение передастся левой. Теперь уже левая картофелина качнётся, как маятник, потом вернётся  и – трах! – ударится о правую. Так они будут качаться по очереди до тех пор, пока движение постепенно не затухнет.

Ты спросишь, что же здесь весёлого? Сейчас увидишь. Вырежь из плотной бумаги фигурки двух фехтовальщиков и приклей их к верхним концам проволок липким пластырем или клеем БФ-2. Теперь качни одну из картофелин и любуйся весёлой дуэлью. Бумажные противники будут по очереди яростно нападать друг на друга. Но ни один из их выпадов не достигнет цели.»


Уважаемый читатель!

Ты, видимо, знаешь, что из Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге маятник Фуко давно убрали. Но мне повезло его видеть наяву и наблюдать за качанием. Это было в советские годы. Спустя много десятилетий, наблюдая за движением двойной планеты Земля-Луна, зная многое из проведенных собственных опытов с трением, сопротивлением среды, инерцией тел и инерционностью окружающей среды, перечитывая данный рассказ, я обратил внимание на две вещи.

Во-первых, кто-нибудь когда-нибудь задумывался о том, почему в маятнике Фуко качание происходит в одной плоскости? В «Забавной физике» звучит: “И только маятнику это движение Земли не могло передаться. Он ведь был подвешен на гибком тросе!” Это не объясняет ровным счётом ничего. Понятно, что в середине XIX века Фуко был первопроходцем, додумавшимся до такого опыта. Задачу свою он выполнил. Никто из последователей и современных физиков не задумался, почему, качнув маятник в одной плоскости, тот продолжает оставаться в ней? На качание маятника не действуют никакие внешние потоки и вращение Земли?

Действительно, из опытов известно, что вес подвешенного груза не оказывает влияние на частотные колебания маятника, – влияет только длина подвеса. Если вместо весомого груза подвесить лёгкий, то картина поменяется кардинально. То есть, при полном “штиле” в окружающей среде возникнет влияние атмосферы или ощутимы воздушные потоки, которые образуются при любом движении тел. Если лёгкий груз имел бы ещё большую поверхность, расположенную перпендикулярно направлению движения, то он вряд ли мог свободно раскачиваться. Колебания его быстро бы угасли. Но именно лёгкий груз можно было бы оставить на подвесе неподвижным и наблюдать другой интересный эффект – из-за гибкого троса он как раз начал бы повторять ход земного вращения вокруг оси, раскачиваясь уже в оси гибкого троса – крутильными колебаниями: туда-сюда.

Правда, на лёгкий груз, подвешенный на тончайшем гибком тросе, влияет много факторов, не только инерционное вращение Земли. Да и крутильные колебания зависят от формы тел из-за разных моментов инерции. Для примера, на картинке перед текстом представлены некоторые симметричные тела, как и формулы для определения моментов инерции. В XIX веке перед учёными остро стоял вопрос и по вычислению скорости света – одного из предполагаемых факторов влияния на свободно висящие лёгкие тела на тончайших гибких подвесах. Ведь никто не знал, отчего вращается Земля, – в отличие от свободно качающегося маятника, страгиваемого и раскачиваемого в лабораторных условиях принудительно.

Так же немало опытов было проведено в поисках «эфирного ветра».

О том, что никакого «эфирного ветра», как и «скорости света», в Природе быть не может, было мной описано в ранних рассказах неоднократно. Достаточно сказать, что в 2001 году команда Лиины Хау из Гарварда пропустила лазер через облако атомов натрия, охлаждённых до -173,14°С, замедлив «скорость света» до 17 м/с  – скорости велосипедиста, а в 2013 году учёные из Дармштадта «заморозили» свет на целую минуту. Это известные факты современности, о которых 100 лет и более назад не могли догадаться, либо предсказать нулевую «скорость света».

Мизерное давление солнечных лучей на зеркальную поверхность подвешенных тончайших крылышек под колпаком с откаченным воздухом (крутильные весы) впервые было обнаружено П.Н.Лебедевым в 1899 году. В опытах свет поочерёдно направлялся на каждое из крылышек коромысла – свет практически полностью отражался от зеркальной поверхности и практически полностью поглощался зачернённой. Вследствие этого давление света на зеркальное крылышко было примерно вдвое больше, чем на зачернённое. Соответственно, больше был и крутящий момент, поворачивающий коромысло.

Величина давления света ничтожна мала даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга). В земных условиях световое давление маскируется побочными явлениями (конвекционными токами), которые могут превышать в тысячи раз величину давления света. Давление солнечного света на зеркальную поверхность на орбите Земли составляет около 9,3*10^-6 Па на 1 квадратный сантиметр. Ясно, что такое мизерное давление не может вращать Землю вокруг её собственной оси.

К тому же, если брать в расчёт солнечный ветер, который оказывает влияние на энергетические потоки вблизи поверхности Земли, то тут тоже нужно учитывать, что солнечный ветер, состоящий из ионизированных частиц, огибает Землю в большей степени, нежели проникает сквозь земную атмосферу. Земля может  покачиваться немного от воздействия солнечного ветра, как лодка на волнах.

Однако, тут необходимо отметить особенность качания любых маятников, в том числе крутильных колебаний. Как ни странно, доходя до крайней точки, маятник останавливается и начинает свой ход в обратном направлении. То есть, каждый раз происходит страгивание, прежде чем подвес маятника наберёт инерционный разгон. Точно так происходит и с крутильными колебаниями. Закрутка гибкого троса происходит до определённого предела, после чего происходит останов и начинается инерционная раскрутка троса в обратном направлении вращения. В момент останова работающего маятника всегда происходит СТРАГИВАНИЕ.

Повторяя опыт Фуко в домашних условиях, вращаем тарелку вручную. При этом ускользает момент страгивания тарелки, передаваемый от рук трением. Каким бы плавным ни казалось само действо равномерного вращения тарелки, импульс передачи движения невозможно осуществить без трения рук о тарелку. Можно было бы усложнить опыт, уложив тарелку с вилками и маятником в авоську и подвесить эту авоську на тонкой гибкой нити к люстре или к потолку. Тогда можно было бы вращать всё “сооружение” вместе с авоськой лёгким дуновением. Но и тут дуновение не может быть непрерывным. Приходится набирать в рот воздух, чтобы придавать вращение тарелке в авоське. Замечу, что и тонкая нить, на которой подвешена авоська, станет закручиваться, создавая сопротивление.

Это всё к тому, что в Природе не найдёте ни одного непрерывного движения. Всё и вся в линейном движении и во вращении передаётся импульсами через страгивание. И главную роль в процессах передачи импульса играет трение. К тому же, Земля не является шаром – по форме это геоид, рельефная поверхность его говорит о том, что форма геоида не только не симметричная, но и сложная. Момент инерции для сложных тел определяется как сумма моментов инерции отдельных частей относительно той же оси вращения. Но и это ещё не всё. В зависимости от симметрии тела его характеризуют одним, двумя или тремя моментами инерции по отношению к главным осям, проходящим через центр инерции. Но что же удерживает вращение Земли в равновесном положении при её вечном движении в “танце” относительно звёзд?

Исходя из опытов русского и советского учёного Николая Павловича Мышкина (1864-1935, он определил не только влияние света, тепла, прочих воздействий на тело, висящее на подвесе, но и действие так называемых пондеромоторных сил извне), можно утверждать, что передача импульса телам в Природе происходит посредством страгивания. Страгивание Земли осуществляется энергетическим каналом от Луны. Н.П.Мышкин в своих опытах выявил искусственность условий проведения эксперимента, в чём кроется истинная причина того, что почти во всех без исключения наблюдениях величины светового давления оказались у профессора Лебедева больше теоретических.

Степень разряжения газа является вторым фактором, обуславливающим собою характер радиометрических вращений. Далее, было выяснено, что отклонения от теоретических значений в опытах во многом зависят от физической природы крылышек радиометра, их теплопроводности, теплоёмкости, поглощательной и “испускательной” (отражающей) способности, степени гладкости и даже формы. В последнем отношении английский химик и физик Уильям Крукс (1832-1919) и немецкий астрофизик Иоганн Цёльнер (1834-1882) показали, что в радиометрах с крыльями в форме полушарий или полуцилиндров выпуклая поверхность их всегда испытывает большее давление, чем внутренняя, в отношении почти 50:6.

Влияние степени гладкости на направление вращений было установлено опытами Цёльнера, который показал, что радиометрическое крылышко даже с очень небольшими неровностями на его поверхности можно заставить вращаться в ту или другую сторону, смотря по тому, будем ли в большей мере освещать его выпуклую или вогнутую сторону. Так же как и зависит от свойств среды, в которой находится тело. Н.П.Мышкин выявил ещё и разницу в измерениях зимой и летом, а также в различные периоды в течение года. Даже повседневные наблюдения показали влияние пондеромоторных сил на результаты наблюдений.

Наблюдения Н.П.Мышкина радикальным образом отличались от тех точек зрения, которых придерживались другие исследователи. Как метеоролог, он преуспел в получении статического электричества из атмосферы Земли. Видимо поэтому его изыскания было решено “засекретить” – первоисточники публикаций долгие годы пылились на полках архивов, – имя Н.П.Мышкина не упоминалось в Большой советской энциклопедии (БСЭ).   

Заключение
Таким образом, удивительнейшим фактом является то, что вечное вращение Земли вокруг оси происходит по предсказуемой программе; с другой стороны – вращение Земли совместно с Луной совершает сложный путь по АНАЛЕММЕ относительно звёзд. Стало быть, вывод таков: программа настройки вращения Земли осуществляется расположением звёзд на небе. Плоскость же, в которой Земля совершает волновые крутильные колебания, как лодка на волнах, либо как свободно вращающийся маятник (гироскоп), выстраивается через три точки во Вселенной: 1) Полярная звезда; 2) центр Солнца; 3) барицентр двойной планеты Земля-Луна.