Foucault' pendel

Allikas: Vikipeedia
Disambig gray.svg  See artikkel räägib pendlist; Umberto Eco raamatu kohta vaata artiklit "Foucault' pendel (raamat)"

Foucault' pendel Pariisi Panthéonis
Foucault' pendli pomm Pariisi Panthéonis

Foucault’ pendel on pikk vabalt võnkuv pendel, mida kasutatakse Maa pöörlemise demonstreerimiseks. Pendel on nimetatud prantsuse füüsiku Léon Foucault' järgi. Kuigi juba varem teati, et Maa pöörleb, oli Foucault’ pendli esmakordne esitlemine 1851. aastal esimene lihtne eksperiment, tõestamaks Maa pöörlemist. Tänapäeval on Foucault’ pendlid populaarsed teadusmuuseumides ja ülikoolides.

Esimene Foucault’ pendel[muuda | redigeeri lähteteksti]

Foucault’ pendlit demonstreeriti esimest korda 1851. aastal Pariisi observatooriumis. Mõni nädal hiljem ehitas Foucault oma kuulsaima pendli, riputades 67-meetrise messingiga kaetud tinapommiga pendli Pariisi Panthéoni kupli alla. Pendli võnkumistasand pöördus hoone suhtes 11° tunnis ja tegi täisringi 32,7 tunniga. 1855. aastal viidi pendel Conservatoire national des arts et métiers`i (rahvuslik kunsti ja käsitöö konservatoorium) Pariisis.

Muuseumi rekonstrueerimise ajal riputati pendel ajutiselt uuesti Pariisi Panthéoni (1995), kuid pärast Musée des arts et métiers (kunsti ja käsitöö muuseum) taasavamist 2000. aastal viidi pendel muuseumisse tagasi.[1] 6. aprillil 2010 katkes pendli tross. Pendli kukkumise tagajärjel purunesid nii originaalpendel kui ka muuseumi marmorpõrand.[2][3] Alates 1995. aastast ripub originaalpendli täpne koopia Pariisi Panthéoni kupli all.

Foucault' pendel põhjapoolusel. Pendli võnkumistasandi pöörlemise kiirus võrdub Maa omaga.

Pendli ülesehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Katseseade koosneb pikast suvalise vertikaaltasandi suhtes vabalt võnkuvast pendlist. Maa pöörlemise tõttu pendli vertikaalne võnkumistasand pöördub.

Põhja- ja lõunapoolusel on pendli võnkumistasandi pöörlemise kiirus võrdne Maa omaga. Tasand teeb ühe päeva jooksul põhjapoolusel päripäeva täispöörde ja lõunapoolusel vastupäeva täispöörde.

Kui pendel on riputatud ekvaatorile, siis võnkumistasand Maa suhtes ei muutu. Seega on tasandi pöörlemise kiirus suurim poolustel ja ekvaatori poole liikudes see väheneb. Nurkkiirus ω (päripäeva vaadatuna on ω ühikuks radiaan sideerilises päevas) võrdeline laiuskraadi siinusega φ:

\omega=360\sin\varphi\ ^\circ/p\ddot{a}ev,

kus põhja- ja lõunalaiuskraad ekvaatorilt vaadates on defineeritud vastavalt positiivselt ja negatiivselt. Näiteks 30° lõunalaiusel asuv pendel pöördub vastupäeva 360° kahe päevaga, kui seda Maa suunas ülevalt alla vaadelda.

Tõestamaks Maa pöörlemist ja jättes kõrvale laiuskraadidest tulenevad komplikatsioonid, kasutas Foucault 1852. aasta eksperimendis güroskoopi. Güroskoobi pöörlev rootor oma asendit tähtede suhtes ei muuda. Kui Maa on olenemata laiuskraadist teinud ühe täispöörde, on güroskoobi telgede asend sama mis päev varem. Tegemist ei ole pendlile selle geomeetrilise asümmeetrilisuse tõttu mõjuva tasakaalustamata Coriolisi jõuga.

Foucault’ pendli ülesseadmine nõuab suurt hoolt, sest väikseimgi konstruktsiooni ebatäpsus põhjustab võnkumistasandi lisapöördumist ja maine efekt jääb tagaplaanile. Samuti on väga oluline pendlile võnke andmine. Traditsiooniline viis selleks oli põletada läbi nöör, mis ajutiselt pendli pommi algasendis hoidis. Sellega välditi pendli kõrvalekaldumist. Kuna õhutakistus summutab võnkumist, siis kasutavad muuseumid tihti Foucault’ pendliga ühendatud elektromagnetilist või muud ajamit, et hoida pendlit võnkumas. Muudel juhtudel pannakse pendel võnkuma tavapärasel viisil, millega tihti kaasneb eriline tseremoonia.

Pariisi Foucault’ pendli animatsioon. Roheline joon näitab pommi liikumistrajektoori pöörleva Maa suhtes. Sinine joon näitab pommi trajektoori pöörleva pendli võnkumistasandiga seotud taustsüsteemis.

Pendlipäev on periood, mille jooksul teeb pendli võnkumistasand arvestatava täispöörde. Foucault’ pendli pendlipäev on võrdeline sideerilise päevaga ja pöörvõrdeline laiuskraadi siinusega.[4]

Pretsessiooni paralleelne lüke[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pendli võnkumistasandi pöördumise sõltuvus laiuskraadist nurgakraadides ühe sideerilise päeva kohta.
Paralleellükke vektor sfääril oleval kinnisel kontuuril. Nurk \alpha on võrdeline kinnise kontuuri pindalaga.

Maa pinnaga seotud intertsiaalses taustsüsteemis, mis Maa pöörlemise tõttu liigub, olev pendel joonistab selle kinnituspunkt ühe sideerilise päevaga ringi. Pariisi laiuskraadil võtab täielik pöörlemistelje asendi muutus aega 32 tundi. See tähendab, et ühe sideerilise päeva jooksul, kui Maa on pöörlemisega jõudnud samasse punkti, kus ta üks sideeriline päev varem oli, on võnkumistasand teinud 90-kraadise pöörde. Kui alguses toimub võnkumine põhja ja lõuna suunas, siis päev hiljem ida ja lääne suunas. Järelikult on toimunud impulsivahetus: Maa ja pendli pomm vahetavad impulsi. Kuna Maa on palju massiivsem kui pomm, siis impulsi vahetus Maad ei mõjuta. Kuna pendli pommi võnkumistasand on nihkunud, siis jäävusseaduste kohaselt pidi toimuma impulsside vahetus.

Impulsi muutumise järgimise asemel saame võnkumistasandi pretsessiooni kirjeldada ka selle paralleellükke kaudu. Selleks eeldame, et pretsessiooni kiirus on võrdeline Maa nurkkiiruse projektsiooniga Maa pöörlemisteljel. Gaussi-Bonnet’ teoreemi kohaselt on pendli võnkumistasandi alg- ja lõpporientatsiooni vahe α=−2 sin(φ) α on pendli geomeetriline faas. Vaadates Maaga seotud liikumisi, ei ole Maa taustsüsteemina enam inertsiaalne, kuid selle efektiivne nurkkiirus on 2π sin(φ) radiaani päevas. Lihtne viis selleks, kuidas kasutada paralleellüket Foucault’ pendli võnkumistasandi pöördenurga kirjeldamiseks, on vaadata paralleellüket koonusekujulise puutuja tasandil Maa pinnal.[5][6]

Vaadatuna Maa pinnaga seotud taustsüteemist, mille x-telg on suunatud põhja ja y-telg itta, kirjeldab pendli pretsessiooni Coriolisi jõud. Oletagem, et pendli võnkesagedus on ω, see võngub tasapinnal ja võnkeamplituud on väike. Pendli pommi mõjutavad kaks jõudu: gravitatsiooni ja trossi tekitatud taastav jõud ning Coriolisi jõud. Corliolisi jõud laiuskraadil φ on horisontaalne pendli väikse amplituudiga. Coriolisi jõud on esitatud järgmiselt:


\begin{align}
F_{c,x} &= 2 m \Omega \dfrac{dy}{dt} \sin(\varphi)\\
F_{c,y} &= - 2 m \Omega \dfrac{dx}{dt} \sin(\varphi),
\end{align}

kus Ω on Maa pöörlemissagedus, Fc,x Coriolisi jõud x-telje suunaline komponent ja Fc,y y-telje suunaline komponent.

Taastavad jõud väikse amplituudi korral on esitatud järgmiselt:


\begin{align}
F_{g,x} &= - m \omega^2 x \\
F_{g,y} &= - m \omega^2 y.
\end{align}

Newtoni seaduste kohaselt saame järgmise võrrandisüsteemi:


\begin{align}
\dfrac{d^2x}{dt^2} &= -\omega^2 x + 2 \Omega \dfrac{dy}{dt} \sin(\varphi)\\
\dfrac{d^2y}{dt^2} &= -\omega^2 y - 2 \Omega \dfrac{dx}{dt} \sin(\varphi) \,.
\end{align}

Minnes üle kompleksmuutujatele z = x + iy, saame võrrandid kujul:

\frac{d^2z}{dt^2} + 2i\Omega \frac{dz}{dt} \sin(\varphi)+\omega^2 z=0 \,.

Selle võrrandi lahendiks on

z=e^{-i\Omega \sin(\varphi) t}\left(c_1 e^{i\omega t}+c_2 e^{-i\omega t}\right) \,.

Kui mõõdame aega päevades, siis Ω=2π. Näeme, et ühe päeva jooksul teeb pendel pöörde −2π sin(φ).

Sarnased füüsikalised süsteemid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Paljude füüsikaliste süsteemide pöörlemistelje asend muutub samal viisil kui Foucault’ pendlil. 1851. aastal kirjeldas Charles Wheatstone[7] seadet, mis kujutas endast keerleva ketta külge kinnitatud võnkuvat vedru. Vedru ja ketta vahel on fikseeritud nurk \phi. Vedru liikumist on piiratud selliselt, et ta võnguks ühel tasandil. Kui ketast keerata, muutub ka võnkumistasand ketta suhtes sarnaselt Foucault’ pendli võnkumistasandi muutumisega Maa suhtes laiuskraadil \phi.

Sarnase katse saab teha täiuslikult tasakaalus oleva algselt mittepöörleva jalgratta rattaga, mis on omakorda asetatud pöörlevale kettale nii, et nende pöörlemisteljed moodustavad nurga \phi. Kui ketas teeb päripäeva täispöörde, siis ratas oma algpositsiooni tagasi ei jõua, vaid tema pöörlemistelg on läbinud pöörde suurusega 2\pi\, \sin(\phi).

Foucault’ pendli võnkumistasandile sarnaselt pretsesseerib ka ringorbitaalil liikuv pöörlev relativistlik osake. Relativistliku kiiruse paiknemist Minkowski aegruumis saab vaadelda kui sfääri S3 neljamõõtmelises eukleidilises ruumis, kus raadius ja ajakoordinaat on imaginaarsed. Paralleelse lükke polarisatsiooni vektorid mööda sfääri (Maa pinda) moodustavad Thomase pretsessiooni, mis on analoogne Foucault’ pendli võnkumistasandi pöörlemisega, kui vaadata paralleelset kulgemist sfääri S2 kolmemõõtmelises eukleidilises ruumis.[8]

Füüsikas on selliste süsteemide areng määratud geomeetriliste faaside[9][10], matemaatikas paralleellükke kaudu.

Foucault’ pendel lõunapoolusel[muuda | redigeeri lähteteksti]

Maailmas on palju Foucault` pendleid. Enamasti asuvad need ülikoolides, teadusmuuseumides ja planetaariumides. Eriti kuulus ja esinduslik pendel asub ÜRO kontoris Manhattanil.

Selle pendliga korraldati katse lõunapoolusel. Lõunapooluse pendliprojekti, nagu seda on kirjeldatud ajalehes "The New York Times"[11] ja tsiteerituna raamatust Seven Tales of the Pendulum[12], püstitasid ja katsetasid lõunapoolusel asuvas Amundsen-Scotti polaarjaamas seiklushimulised John Bird, Jennifer McCallum, Michael Town ja Alan Baker. Nende mõõtmised on tõenäoliselt täpseimad, mis iial Maa poolustel teostatud. Pendel püstitati poolusele ehitatava jaama kuuenda korruse trepile. Tingimused olid keerulised: kõrgust umbes 3300 meetrit, atmosfäärirõhk vaid umbes 65% merepinnal olevast. Temperatuur kütmata trepil oli umbes −68 °C. Pendli pikkus oli 33 meetrit ja pommi raskus 25 kg.

Ainult poolusel tõestab Foucault' katse Maa tegelikku pöörlemiskiirust: pendel pöörleb vastupäeva ühe täisringi iga 24 tunni jooksul. Seega võlgnesid nad teadusele selle lugupidamisavalduse. Uus jaam pakkus Foucault` pendlile häid tingimusi. Selle kõrgus kindlustas täpse tulemuse, mida ei saanud häirida õhu liikumine. Nädalavahetustel tagas inimtegevuse vähesus vibreerimise peaaegu täieliku puudumise. Lisaks tagab poolusel madal õhurõhk väiksema õhutakistuse. Isegi algelise pendli sellistes tingimustes püstitamine oleks olnud keeruline. Kuid kui takistused ületati, kinnitasid uurijad, et võnkumistasandi pöörlemise periood on umbes 24 tundi.

Foucault’ pendel Tartus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Foucault' pendel Tähe tänava füüsikahoones Tartus

1978. aasta märtsis avati Tartu Tähetornis Hugo Raudsaare püstitatud Foucault’ pendel. Pendel oli 7 m pikk ja kaalus 30 kg. Pendel ei olnud statsionaarne ja igaks demonstratsiooniks tuli see alguses kokku ja lõpus lahti monteerida. Viimati töötas pendel 1990. aastal.[13]

1982. aastal Tartu Ülikooli 350. aastapäeva ajal tekkis Henn Voolaiul, Matt Ansol, Malle Fischeril ja Matti Laanel idee püstitada Tartu Tähe tänava füüsikahoonesse uus Foucault’ pendel. Pendli projekteeris, valmistas ja paigaldas H. Kruuv. Alusplatvormi kujundas I. Kruuv. Pendel avati Tähe perepäeval 6. novembril 1999.[14]

Parameetrid
Kinnitustraadi pikkus 16,76 m
Mass 75 kg
Periood 7,8 s
Alusringi läbimõõt 2,0 m
Täisringi sooritamiseks kuluv aeg 28 h 6 min

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Joe Kissell. Foucault’s Pendulum: Low-tech proof of Earth’s rotation. Interesting thing of the day, 8. november, 2004. Kasutatud 6. oktoober, 2012. (inglise)
  2. Boris Thiolay. Le pendule de Foucault perd la boule. L'Express, 28. aprill, 2010. Kasutatud 6. oktoober, 2012. (prantsuse)
  3. Foucault's pendulum is sent crashing to Earth. Times Higher Education, 13. mai, 2012. Kasutatud 6. oktoober, 2012. (inglise)
  4. Pendulum day. American Meteorological Society. Kasutatud 6. oktoober, 2012. (inglise)
  5. W. B. Somerville, "The Description of Foucault's Pendulum", Q. J. R. Astron. Soc. 13, 40 (1972).
  6. J. B. Hart, R. E. Miller ja Robert Mills, "A simple geometric model for visualizing the motion of a Foucault pendulum", Am. J. Phys. 55, 67-70 (1987).
  7. Charles Wheatstone Wikisource: "Note relating to M. Foucault's new mechanical proof of the Rotation of the Earth", pp 65–68
  8. M. I. Krivoruchenko, "Rotation of the swing plane of Foucault's pendulum and Thomas spin precession: Two faces of one coin", Phys. Usp. 52, 821–829 (2009)
  9. "Geometric Phases in Physics", toim. Frank Wilczek ja Alfred Shapere (World Scientific, Singapur, 1989).
  10. L. Mangiarotti, G. Sardanashvily, Gauge Mechanics (World Scientific, Singapur, 1998)
  11. Here They Are, Science's 10 Most Beautiful Experiments. The New York Times. Kasutatud 6.oktoober, 2012. (inglise)
  12. Baker, G. P. (2011). Seven Tales of the Pendulum. Oxford University Press. p. 388. ISBN 978-0-19-958951-7. 
  13. Taavi Tuvikene. Foucault’ pendli ajaloost. 3. mai, 2000. Kasutatud 6. oktoober, 2012.
  14. Taavi Tuvikene. Foucault’ pendel füüsikahoones. 4. mai, 2000. Kasutatud 6. oktoober, 2012.