Co je Foucaultovo kyvadlo: jak i dětem vysvětlit jeho podstatu a princip fungování
Ne všichni dospělí plně chápou, co je Foucaultovo kyvadlo, jak funguje a k čemu je potřeba. Jak to vysvětlit třeba zvídavému dítěti? Je pro něj těžké si vůbec představit, že Země je kulatá, nemluvě o její rotaci! Ale ve skutečnosti můžete princip Foucaultova kyvadla vysvětlit komukoli během pěti minut pomocí několika předmětů, které najdete téměř v každé kuchyni.
Tim Skorenko
Diskutujte o tématu
Od starověku vědci předkládali hypotézy, že Země má tvar koule rotující kolem své vlastní osy. Aristoteles byl první, kdo dokázal tuto teorii, když poukázal na to, že během zatmění Měsíce je stín Země vždy kulatý. Jedním z pozdějších důkazů kulovitosti naší planety byl experiment s kyvadlem, který provedl vědec Jean Bernard Leon Foucault. Řekneme vám, co je Foucaultovo kyvadlo a jak funguje.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Co je to Foucaultovo kyvadlo?
Připomeňme, že Foucaultovo kyvadlo je experimentální zařízení, pomocí kterého můžete vizuálně pozorovat denní rotaci Země. Je to poměrně dlouhý (v původním návrhu Jeana Foucaulta délka byla 67 m) ocelový drát, na kterém je zavěšeno břemeno. V průběhu času se rovina kmitání kyvadla mění, pomalu se otáčí ve směru opačném ke směru rotace Země a geografická poloha (zeměpisná šířka) zařízení ovlivňuje rychlost změny.
Je velmi obtížné si představit rovinu stacionární vzhledem ke hvězdám, a tedy rotující vzhledem k Zemi. Země je příliš velká, její zdánlivá „plochost“ je nám příliš povědomá a rotaci na sobě úplně necítíme. Foucaultovo kyvadlo nám názorně demonstruje efekt denní rotace, ale i při pohledu na něj není vždy snadné jeho „indikace“ pochopit a přijmout.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Představte si situaci: přijde k vám dítě a ptá se: Právě jsem četl o nějakém Foucaultově kyvadlu, které dokazuje, že se Země otáčí, a ničemu jsem nerozuměl. Můžete mi to vysvětlit jednodušeji? Samozřejmě odpovíte a postavíte si model kyvadla přímo v kuchyni.
Kdo je Jean Bernard Leon Foucault a jaké experimenty provedl?
Francouzský fyzik Jean Bernard Leon Foucault, který vynalezl kyvadlo, se narodil 18. září 1819 v Paříži. Muž byl členem pařížské akademie věd a aktivním vynálezcem. Kromě kyvadla vytvořil Foucault gyroskop, přišel s metodou měření rychlosti světla ve vzduchu a ve vodě a navrhl také účinnou metodu stříbření zrcadel.
Leon Foucault poprvé provedl svůj experiment s kyvadlem ve 2 hodiny ráno 8. ledna 1851. Místo laboratoře použil fyzik sklep svého pařížského domu. Tu noc Foucault použil kyvadlo, které bylo 2 metry dlouhé. V únoru muž experiment na observatoři zopakoval pomocí 11metrového kyvadla.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Poměrně rychle se informace o neobvyklém zážitku dostala k Ludvíkovi (Napoleon III.) Bonapartovi, budoucímu francouzskému císaři. Dohodl se na veřejném opakování experimentu s kyvadlem pod kupolí Pantheonu v hlavním městě Francie. Proslýchalo se, že Foucaultův experiment schválil nejen Napoleon, ale i papež Pius IX. Údajně požehnal Jeanu Bernardovi Leonovi, aby provedl experiment dokazující všemohoucnost Stvořitele. Historici však žádné oficiální potvrzení této skutečnosti nenašli.
Foucaultovo kyvadlo v pařížském Pantheonu
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Experiment byl veřejně proveden v březnu 1851. Tentokrát byla konstrukce ještě větší – pod kupolí Pantheonu byla zavěšena kovová koule o hmotnosti 28 kilogramů s pevnou špičkou. Na místě ji držel silný ocelový drát o délce 67 metrů. Toto upevnění umožňovalo kyvadlu volně se houpat do všech stran, pod upevňovacím bodem byl speciálně postaven plot o průměru 6 metrů. Po okraji plotu byly položeny pískové cesty, aby kyvadlo mohlo volně kreslit potřebné značky.
Aby při spuštění Foucaultova kyvadla nedošlo k bočnímu tlaku, byla konstrukce odnesena na stranu, svázána lanem a poté bylo lano spáleno. Perioda kmitání kyvadla při takové délce zavěšení byla 16,4 sekund a odchylka každého kmitu od předchozího byla přibližně 3 milimetry. V průběhu hodiny se rovina kmitání kyvadla změnila o 11 stupňů ve směru hodinových ručiček.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Po dokončení úplného otočení za asi 32 hodin Foucaultovo kyvadlo dokázalo, že Země je kulatá planeta, která se otáčí kolem své osy. Rada Čestné legie, šokovaná Foucaultovou brilantní zkušeností, udělila vědci nejprestižnější ocenění ve Francii. Poté se Foucaultovo kyvadlo rozšířilo do dalších zemí. Vědci začali zařízení konstruovat podle principu vyvinutého Foucaultem, změnili pouze technické parametry a design míst pro instalaci systému.
Co je Foucaultovo kyvadlo: video
Video ukazuje jedno z největších Foucaultových kyvadel v Evropě, které se nachází v Kyjevském polytechnickém institutu.
Princip fungování Foucaultova kyvadla: zařízení sestavujeme doma
Model můžete postavit téměř z čehokoli, můžete ho udělat krásnějším, větším, fotogeničtějším. Rozhodli jsme se použít jednoduché předměty, které lze najít během několika minut téměř v každé kuchyni. Nemusíte ani chodit do obchodu.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Nástroje, které budete potřebovat k sestavení modelu Foucaultova kyvadla doma
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Takže talíř, tři vidličky, dvě jehly, korek, nějaké závaží (limetka, brambora, malé jablko), špulka nitě, sůl. Deska hraje roli Země a stůl, na kterém stojí, funguje jako pevný souřadnicový systém, ve kterém se Země otáčí (jinými slovy hvězdy). Z toho všeho není těžké postavit strukturu zobrazenou na první fotografii. Nejobtížnější je zvolit délku nitě tak, aby se špička jehly sotva dotýkala povrchu destičky. Je velmi důležité zachovat zarovnání, to znamená zajistit, aby špička jehly vycházela ze samého středu plodu, který se používá jako zátěž.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Domácí Foucaultovo kyvadlo, které dokazuje kulovitý tvar Země
Poté spustíme systém – nejlépe zátěž stáhnout do strany a povolit. Kyvadlo začne kmitat. Otočíme-li desku kolem její osy, zjistíme, že kyvadlo se s ní neotáčí, ale nadále kmitá v konstantní rovině! Sůl se v tomto případě používá pro přehlednost – když otočíte talířem, špička jehly nakreslí novou trajektorii.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Nyní si stačí představit, že deska je velmi velká – s průměrem Země. A otáčí se, jak řekl Galileo podle legendy, sám o sobě, stejně jako otáčíme talířem rukama. A Foucaultovo kyvadlo, sestupující z kopule moskevského planetária nebo pařížského Pantheonu, kreslí složitou postavu, neustále měnící rovinu kmitání vzhledem k Zemi. Přesněji řečeno, je to Země, která mění svou polohu vůči kyvadlu. Jako talíř.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Takto má vypadat hotové domácí Foucaultovo kyvadlo
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Také na toto téma stojí za to přečíst si o našich experimentech s kinetickým pískem a šířením plamene parafínovými parami.
Kde dnes můžete vidět Foucaultovo kyvadlo?
Jedno z největších Foucaultových kyvadel v Evropě a největší kyvadlo v SNS se nachází na Kyjevském polytechnickém institutu. Design tvoří 43kilogramová bronzová koule na 22metrovém závitu.
Do roku 1986 se v katedrále svatého Izáka v Petrohradě nacházelo obrovské 98metrové Foucaultovo kyvadlo. Během exkurze byli turisté pozváni, aby se stali pozorovateli experimentu. Rovina otáčení kyvadla se otáčela, díky čemuž se tyč dotkla předmětu velikosti krabičky od zápalek ležícího na podlaze daleko od roviny otáčení zařízení.
Dnes jsou velká provozní Foucaultova kyvadla v Rusku umístěna v Moskevském planetáriu, Sibiřské federální univerzitě, Petrohradském a Volgogradském planetáriu, Volžské federální univerzitě v Kazani a v 7. patře Základní knihovny Moskevské státní univerzity v Moskvě.
Online publikace TechInsider
Zakladatel Fashion Press LLC: 119435, Moskva, Bolshoy Savvinsky per., 12, budova 6, patro 3, místnost II;
Adresa redakce: 119435, Moskva, Bolshoi Savvinsky lane, 12, budova 6, patro 3, místnost II;
Šéfredaktor: Nikita Aleksandrovich Vasilenok
Redakční e-mailová adresa: [email protected]
Telefonní číslo redakce: +7 (495) 252-09-99
Označení informačních produktů: 16+
Online publikace je registrována Federální službou pro dohled nad komunikacemi, informačními technologiemi a hromadnými komunikacemi, registrační číslo a datum rozhodnutí o registraci: EL řada č. FS 77 – 84123 ze dne 09. listopadu 2022.
© 2007 — 2025 Fashion Press LLC
Při zveřejňování materiálů na Stránkách uděluje Uživatel společnosti Fashion Press LLC bezplatně nevýhradní práva k používání, reprodukování, distribuci, vytváření odvozených děl, jakož i k zobrazování materiálů a jejich zpřístupňování veřejnosti.
Kyvadlo,mechanický systém, který vykonává kmitavý pohyb pod vlivem t. zv. vratná síla – síla, která má tendenci vrátit systém do rovnovážné polohy. Roli vratné síly může hrát gravitace. V tomto případě je kyvadlo masivní těleso schopné rotace kolem vodorovné (nebo nakloněné) osy, které neprochází jeho těžištěm. 
Rýže. 1. Schémata kyvadel. Rýže. 1. Schémata kyvadel. Mění-li se při kmitání vzdálenost mezi osou otáčení a těžištěm, nazývá se kyvadlo parametrické, je-li tato vzdálenost konstantní – fyzikální (obr. 1, Obr. а). Fyzikální kyvadlo se nazývá matematické, pokud je vzdálenost od bodů kmitajícího tělesa k ose rotace velká ve srovnání s velikostí tělesa a hmotnost závitu nebo tyče spojující kmitající těleso s osou rotace je zanedbatelná. ve srovnání s hmotností tělesa (tj. těleso lze považovat za hmotný bod, obr. 1, б). Postačující podmínkou pro to, aby bylo kyvadlo nazýváno matematickým, je malá velikost průmětu tělesa do roviny kolmé k ose kývání ve srovnání se vzdálenostmi bodů tohoto průmětu k ose. Pokud takové kyvadlo kmitá v jedné rovině a amplituda kmitů je dostatečně malá, pak jsou kmity (zanedbávání tření) harmonické, jejich perioda T 0 T 0 nezávisí na amplitudě a je určena výrazem: T 0 = 2 π log cos φ , (1 ) >,>>tag T 0 = 2 π g cos φ l , ( 1 ) kde ll je délka matematického kyvadla (vzdálenost od osy rotace k kmitající hmotě), gg je gravitační zrychlení, φ φ je úhel odchylky roviny výkyvu od svislice. V konkrétním případě kmitání ve vertikální rovině má vzorec tvar: T 0 = 2 π log, (2) ,>>tag T 0 = 2 π gl , ( 2 ) Pro fyzikální kyvadlo je perioda malých kmitů za nepřítomnosti tření určena stejným výrazem, ale místo ll hodnota l pr > l Pr se nazývá zmenšená délka fyzického kyvadla: l pr = J 0 ml 0 , =frac>, l pr = ml 0 J 0 , kde mm – hmotnost fyzického kyvadla, J 0 J 0 – jeho moment setrvačnosti vzhledem k ose rotace, l 0 l 0 – vzdálenost mezi osou rotace a těžištěm kyvadla. Obecně platí, že perioda rovinných kmitů kyvadla závisí na amplitudě kmitů. V roce 1657 H. Huygens teoreticky doložil a následně zkonstruoval hodinové kyvadlo, jehož perioda kmitání nezávisela na amplitudě. V navrženém mechanismu byl rovinný pohyb matematického kyvadla prováděn nikoli po kruhovém oblouku, ale po kruhovém oblouku (cykloidní kyvadlo). Později se zjistilo, že je technicky jednodušší realizovat téměř úplnou nezávislost periody kmitání na amplitudě. K tomu je na svislé pružné desce připevněno fyzické kyvadlo, jehož ohyb při vychýlení kyvadla prakticky eliminuje nelinearitu závislosti vratného momentu tíhy na úhlu vychýlení. Tato technika se používá v moderních kyvadlových hodinách. Bod fyzického kyvadla, který se nachází na přímce vedené od osy kývání přes těžiště a nachází se ve vzdálenosti lpr > lpr od osy, se nazývá střed kývání. Je-li nová osa kývání vedena středem kývání, rovnoběžná s předchozí, pak perioda kývání fyzického kyvadla zůstane nezměněna a poloha předchozí osy se stane novým středem kývání. 
Rýže. 2. Schéma vratného kyvadla. Rýže. 2. Schéma vratného kyvadla. Této vlastnosti se využívá u vratného kyvadla (obr. 2), používaného v gravimetrii. Jedná se o tyč s jedním nebo více pohyblivými závažími a dvěma hranoly, střídavě umístěnými na podpěře, která slouží jako osa houpání kyvadla. Pohybem závaží dosahují rovnosti period malých kmitů kyvadla při dosednutí na každý z hranolů. Daná vzdálenost mezi hranoly tedy bude rovna l pr > l pr výsledného kyvadla, což nám z naměřené doby kmitu umožňuje určit zrychlení volného pádu s přesností cca 1 0 – 5 m / s2, m/s^> 1-0 m/s5. Prostorová poloha roviny kmitání matematického kyvadla zůstává prakticky nezměněna, což umožňuje zaznamenat pohyb roviny kmitání kyvadla vzhledem k povrchu Země v důsledku denní rotace kyvadla (viz Foucault kyvadlo). Při použití určitého typu zavěšení (například kulový nebo kardanový kloub) může těžiště kyvadla také kmitat podél kulové plochy, konvexně dolů (kulové kyvadlo). Zvláštním případem kulového kyvadla je kyvadlo kuželové, ve kterém těžiště kyvadla opisuje vodorovnou kružnici.
Rýže. 3. Model hodin s kyvadlovým mechanismem od Galilea Galileiho. 1921. Návrhář Inkerman Rogers. Science Museum, Londýn. Rýže. 3. Model hodin s kyvadlovým mechanismem od Galilea Galileiho. 1921. Návrhář Inkerman Rogers. Science Museum, Londýn. Elastická síla může také působit jako vratná síla. V tomto případě je kyvadlo závaží připevněné k pružnému prvku. Při vychýlení zátěže z rovnovážné polohy jsou pozorovány translační kmity zátěže, vznikající při stlačení a natahování lehké pružiny nebo jiného pružného tělesa (pružinového kyvadla), nebo rotační kmity zátěže vlivem momentu sil, které vznikají. při kroucení závitu, pružiny nebo tyče se zanedbatelným momentem setrvačnosti (torzní kyvadlo). Pokud pružný prvek takových kyvadel dodržuje Hookeův zákon, pak při absenci tření jsou oscilace kyvadla harmonické. Jejich perioda TT nezávisí na amplitudě kmitů: pro pružinové kyvadlo T = 2 π m / k, >, T = 2 π m / k , kde mm je hmotnost zatížení, k textit k je tuhost pružiny; pro torzní kyvadlo T = 2 π J / f, >, T = 2 π J / f , kde JJ – moment setrvačnosti zatížení vzhledem k ose otáčení, ff – torzní modul pružného prvku.
Rýže. 4. Kyvadlový myograf. Německo. OK. 1900. Navrhl Hermann Helmholtz ca. 1850 k měření rychlosti nervových vzruchů u žáby. Science Museum, Londýn. Rýže. 4. Kyvadlový myograf. Německo. OK. 1900. Navrhl Hermann Helmholtz ca. 1850 k měření rychlosti nervových vzruchů u žáby. Science Museum, Londýn. V technice se široce používají různá kyvadlová zařízení. Nejznámějším kyvadlovým zařízením jsou mechanické hodiny, které využívají fyzické nebo torzní kyvadlo. Torzní kyvadlo je také hlavním prvkem torzní stupnice a pružinové kyvadlo je hlavním prvkem akcelerometru. Kyvadlová zařízení se používají v seismografech, odstředivých regulátorech rychlosti; s jejich pomocí měří momenty setrvačnosti těles, rychlost střel a projektilů (balistická kyvadla), pomocí nakloněných kyvadel (fyzická kyvadla, ve kterých se zátěž koule odvaluje po nakloněné rovině) studují valivé tření atp. Bulygin Vladimír Semenovič Publikováno 28. března 2024 v 13:34 (GMT+3). Poslední aktualizace 28. března 2024 v 13:34 (GMT+3). Kontaktujte redakci informace Oblasti znalostí: Dynamika hmotného bodu a soustava bodů - Vědecký a vzdělávací portál “Velká ruská encyklopedie”
Vytvořeno s finanční podporou Ministerstva digitálního rozvoje, komunikací a masových komunikací Ruské federace.
Osvědčení o registraci hromadných sdělovacích prostředků EL č. FS77-84198, vydané Federální službou pro dohled nad komunikacemi, informačními technologiemi a hromadnými komunikacemi (Roskomnadzor) dne 15. listopadu 2022.
ISSN: 2949-2076 - Zakladatel: Autonomní nezisková organizace „Národní vědecké a vzdělávací centrum „Velká ruská encyklopedie“
Šéfredaktor: Kravets S.L.
Telefon redakce: +7 (495) 917 90 00
E-mailem Redakční e-mail: [email protected]
- © ANO BRE, 2022 – 2025. Všechna práva vyhrazena.
- Podmínky použití informací. Veškeré informace zveřejněné na tomto portálu jsou určeny pouze pro osobní potřebu a nejsou předmětem další reprodukce.
Mediální obsah (ilustrace, fotografie, videa, zvukové materiály, mapy, naskenované obrázky) lze použít pouze se svolením držitelů autorských práv. - Podmínky použití informací. Veškeré informace zveřejněné na tomto portálu jsou určeny pouze pro osobní potřebu a nejsou předmětem další reprodukce.
Mediální obsah (ilustrace, fotografie, videa, zvukové materiály, mapy, naskenované obrázky) lze použít pouze se svolením držitelů autorských práv.