Космос у тебя дома
Шрифт:
Подобный маятник есть и у нас в некоторых городах. Маятник, который висит в Ленинграде в Исаакиевском соборе, еще больше своего предшественника в Пантеоне. Длина маятника в Исаакиевском соборе равна 98 метрам.
Сделайте и вы небольшую модель маятника Фуко. Возьмите деревянную доску длиной 50–60 сантиметров, шириной 12–15 сантиметров и толщиной 2–3 сантиметра. Укрепите на ней П-образную подставку из узких деревянных реек. Высота подставки должна быть около 30–40 сантиметров. В середине верхней перекладины просверлите вертикальное отверстие и вставьте в него кусочек проволоки, загнув верхний конец, чтобы он держался в отверстии. Нижний конец проволочки загните крючком, на нем будет подвешен маятник. Этот крючок должен свободно вращаться в своем гнезде.
На тонком шнурке подвесьте к крючку какой-нибудь тяжелый грузик (большую гайку, большой шарик от подшипника, завернув его в тряпочку).
Раскачайте маятник так, чтобы его размах не превышал длины подставки. Поворачивая подставку вокруг ее вертикальной оси против часовой стрелки, вы тем самым как бы повторите в миниатюре вращение Земли с запада на восток. Наша модель Земли поворачивается, а маятник продолжает колебаться в той плоскости, в которой он был запущен.
Этот опыт можно провести и более эффектно. Сделайте из толстой проволоки обруч диаметром 50 сантиметров и очень подвижной шарнир. Чтобы не сверлить проволоку, укрепите на внутренней стороне обруча на двух проволочках кусочек жести с хорошо зачищенным отверстием, в которое вставьте крючок и подвесьте на нем маятник. Затем на какой-нибудь перекладине подвесьте и весь обруч. К нижней его части привяжите еще одну веревку и, натянув ее вниз, закрепите конец.
Обруч будет висеть вертикально, растянутый веревками.
Раскачайте маятник. Когда вы станете вращать обруч вокруг его вертикальной оси, это нисколько не отразится на плоскости качания маятника. Он будет качаться в той же плоскости, в какой вы его запустили.
Если вам удастся найти помещение, в котором потолок находится на высоте 4–5 метров или больше, тогда опыт с маятником Фуко можно будет провести и не на моделях.
К сожалению, этот опыт нельзя поставить на открытом воздухе, где легче найти высокую точку для подвеса маятника. Малейшее, даже малозаметное движение воздуха исказит результат опыта.
Сейчас будет описан опыт с маятником, который наглядно покажет вращение Земли. Воспользуйтесь этим описанием, чтобы проделать опыт, применяясь к тем условиям, которые у вас окажутся.
В потолок был вбит тонкий гвоздь с обмотанным вокруг него свободно вращающимся кусочком тонкой проволоки, загнутой крючком. На тонкой бечевке к этому крючку был подвешен резиновый мячик (диаметр 6 сантиметров), наполненный песком. Общая длина маятника была 410 сантиметров. Маятник не доходил до пола на 6 сантиметров. Когда маятник был запущен (запускать надо очень аккуратно, чтобы мячик не вертелся вокруг своей оси и чтобы качался в одной плоскости), было засечено время и на пол под маятник вдоль плоскости его качания положена линейка длиной в один метр. Мячик качался точно над этой линейкой.
Плоскость качания была выбрана по компасу, она проходила с севера на юг. Наблюдатели во время опыта располагались на «юге». Спустя десять минут стало заметно, что колебания маятника направлены уже не вдоль линейки, как это было вначале, а пересекают линейку в ее средней части. На первую линейку была положена вторая, и так, чтобы маятник теперь качался точно над ней. Между линейками в точке их пересечения образовался угол. Создалось впечатление, что вся плоскость колебания маятника повернулась на этот угол по часовой стрелке — с востока на запад. На самом же деле за эти десять минут Земля вместе с комнатой и наблюдателями повернулась с запада на восток.
Как Луна вращает Землю
Что Луна вращает Землю, может показаться невероятным. Возникает справедливое сомнение: как Луна, масса которой в 81 раз меньше массы Земли и которая сама вращается вокруг Земли, вдруг вращает Землю?
Земля совершает много разных вращений: она вращается вокруг Солнца, вращается вокруг своей оси, ось Земли совершает прецессионное вращение. Но есть у Земли и еще одно вращение, вызванное Луной. Не было бы Луны, не было бы и этого вращения. Земля и Луна очень сильно связаны друг с другом силами взаимного притяжения. Конечно, притяжение Земли более мощное, и Земля удерживает своим притяжением Луну на ее орбите. Луна же своим притяжением (правда, в этом ей помогает и Солнце) периодически поднимает в земных океанах воду — происходят приливы и отливы.
Ученые подсчитали, и оказалось, что Луна хотя и вращается вокруг Земли, но вращается не вокруг земного центра, а вокруг точки, которая отстоит от центра Земли на расстоянии приблизительно 4700 километров. Эта точка называется центром масс системы Земля — Луна.
Обычно мы пользуемся выражением «центр тяжести». У палки, например, центр тяжести находится на ее середине. Если этим местом вы положите палку на палец, то палка уравновесится, потому что точка ее опоры будет точно под центром тяжести. У шара центр тяжести совпадает с его центром.
Но если применительно к земным предметам мы используем выражение «центр тяжести», зная, что сила тяжести — это сила притяжения тел к Земле, то по отношению к системе Земля — Луна применяют выражение не «центр тяжести», а «центр масс».
Сделайте небольшой прибор. Возьмите длинный пустой стержень от шариковой ручки — он имеет длину 12,7 сантиметра — и укрепите на его концах два шарика. Шарики можно подобрать деревянные от старых ненужных игрушек. Один шарик диаметром примерно три сантиметра, второй — один сантиметр. У большого шарика масса (под массой мы условились подразумевать меру инертности) в несколько раз больше, чем у маленького. Положите стержень с шариками на острие ножа и двигайте нож до тех пор, пока «коромысло» с шариками не уравновесится. Отметьте чернилами на стержне эту точку. Это будет центр тяжести нашей системы, состоящей из двух шариков. Массой стержня мы пренебрежем, она совсем незначительна. К точке, где расположен центр тяжести нашей системы, а она будет находиться ближе к большому шарику, привяжите две нитки длиной 70 сантиметров. Другой конец ниток привяжите к какой-нибудь перекладине, например к дверному косяку. Нужно, чтобы наш прибор висел свободно, ничего не задевая. Передвигая нитки вдоль стержня, добейтесь полного равновесия коромысла с шариками. Теперь, вращая коромысло вокруг ниток, закрутите их как можно больше. Кончив закручивание, проверьте, придерживая нитки рукой, не сбилось ли место их крепления с точки центра тяжести. Поправьте коромысло и, когда оно будет висеть горизонтально, успокойте его, чтобы оно не качалось. Коромысло начнет вращаться вокруг раскручивающихся ниток. Обратите внимание, что нитки, являющиеся осью нашего прибора, висят строго вертикально, никакие силы не заставляют их сойти с вертикального положения. Когда прибор перестанет раскручиваться, он будет висеть неподвижно в горизонтальном положении.
Этот же опыт можно проделать иначе. Сдвиньте на один сантиметр нитки вдоль стержня по направлению к маленькому шарику. Хорошо закрутите их и успокойте прибор, чтобы он не раскачивался. Осторожно отнимите руки. Начнется вращение. Обратите внимание на то, как ведут себя раскручивающиеся нитки. Они не висят вертикально, как раньше, а описывают конус. Теперь осью вращения нашего прибора стала ось этого конуса. Но ось по-прежнему проходит через центр тяжести двух шариков.