О том, что Земля вращается вокруг своей оси, а длина суток составляет почти 24 часа, все мы знаем с малых лет, и эти факты не вызывают никаких сомнений. Но это базовое знание не всегда было столь очевидно: еще в середине XIX века научное сообщество хоть и догадывалось об этом, но наглядных доказательств факта вращения Земли в своем распоряжении не имело. Все изменилось с появлением маятника Фуко, эксперимент с применением которого был впервые проведен ровно 175 лет назад — 8 января 1851 года. Расскажем, что это за маятник и где можно наблюдать его в действии.
О том, что наша планета вращается вокруг своей оси, догадывались еще в древности: греческий философ Гераклид Понтийский (387-312 гг. до н.э.) выдвинул предположение о том, что поворот небесной сферы является следствием суточного вращения Земли. Но для тех времен это звучало слишком невероятно. Например, такой авторитетный ученый, как Аристотель (384-322 гг. до нашей эры) полагал, что Земля не вращается. Доказательством этого, по мнению Аристотеля, служили подброшенные в воздух предметы, которые приземлялись в той же точке. Если бы поверхность перемещалась, то предметы падали бы в другом месте.
Даже столетия спустя вращение Земли было лишь гипотезой. В 1543 году польский ученый Николай Коперник (1473-1543) представил трактат «Об обращениях небесных сфер», где описал свою модель устройства Солнечной системы, в которой Земля вращается вокруг Солнца, и при этом сама планета вращается вокруг своей оси. Англичанин Исаак Ньютон (1642-1727) тоже говорил о том, что наша планета вращается вокруг своей оси, и по этой причине имеет не идеальную форму шара, а слегка сплюснута с полюсов.
Однако все это были гипотезы, хоть и весьма убедительные, но достоверных доказательство к середине XIX века у человечества все еще не было. И лишь в 1851 году, как раз 8 января — эта дата сегодня отмечается как Международный День вращения Земли — французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868) при помощи математического маятника, который вошел в историю науки как маятник Фуко, впервые провел свой научный эксперимент, доказавший вращение Земли.
Что такое «маятник Фуко»
Не удивляйтесь, но свой первый эксперимент с маятником Жан Бернар Леон Фуко провел в… погребе. В подвале своего дома в Париже он соорудил маятник, который состоял из веревки длиной 2 метра и груза. Именно благодаря этому маятнику, подвешенному Фуко в собственном погребе, наличие вращения Земли вокруг своей оси впервые было доказано экспериментально.
А первая публичная демонстрация эксперимента с маятником Фуко состоялась в марте 1851 года в Парижском Пантеоне: это был шар весом 28 кг, который закрепили под куполом на проволоке длиной 67 метров. На нижней части шара закрепили острие, а под ним разместили площадку с песком: при колебании маятника острие чертило на песке траекторию движения шара.
Перед началом эксперимента шар отвели в сторону от центра и отпустили: маятник стал совершать колебания и прочерчивать на песке отметки о пройденном пути. Длина подвеса 67 метров — это достаточно много, поэтому на одно колебание шар тратил 16,4 секунды. И спустя 1 час оказалось, что траектория движения шара сместилась на 11° по часовой стрелке: на песчаной дорожке оставались четкие следы. На самом деле маятник качался в одной плоскости по одной и той же траектории: изменялось его положение относительно песчаной поверхности под ним, поскольку та перемещалась вместе с планетой. Так вращение Земли впервые было доказано на практике.
Земля вращается, и плоскость колебания маятника относительно поверхности планеты смещается: чем ближе к полюсам, тем более заметно это смещение, поскольку его интенсивность зависит от географической широты местности. На экваторе плоскость колебания маятника Фуко сохранит неизменное положение, а в районе полюса сместится на 360° за одни сутки.
Эксперимент Леона Фуко в парижском Пантеоне получил широкую известность, и его стали воспроизводить в других местах. Доказательство вращения Земли при помощи маятника Фуко — эффектная демонстрация научного знания, поэтому такие устройства стали устанавливать в планетариях, научных музеях и университетах по всему миру. Самый грандиозный из всех маятников Фуко с 1931 по 1986 годы находился у нас в стране, в здании Исаакиевского собора в Ленинграде (прим.ред.: ныне Санкт-Петербург).Вес шара был равен 54 кг, длина подвеса составляла 98 метров, а период колебания — 20 секунд. В 1986 году при передаче собора церкви маятник был демонтирован. Сегодня он все еще находится в Исаакиевском соборе, но только в хранилище. Однако в России существуют другие маятники Фуко, которые можно увидеть своими глазами в разных точках страны, в основном в планетариях.
- Московский планетарий: длина подвеса 17 метров.
- Санкт-Петербургский планетарий: длина подвеса 8 метров.
- Новосибирский планетарий: длина подвеса 14,5 метра.
- Смоленский планетарий: длина подвеса 12 метров.
Поскольку маятник Фуко совершает колебания как обычный маятник, то из-за сопротивления воздуха он постепенно теряет энергию. Чтобы колебания маятника не затухали, применяются специальные системы компенсации, подталкивающие шар. Например, это могут быть электромагниты: металлическое кольцо с электромагнитом размещают внизу, под маятником Фуко, и при каждом колебании шар, проходя над магнитом, получает дополнительную энергию в результате электромагнитного взаимодействия.
Интересные факты о суточном вращении Земли
- Сегодня Земля поворачивается вокруг своей оси за 23 часа 56 минут и 4,091 секунды. Но эта цифра непостоянна: вращение планеты постепенно замедляется, примерно на 1,8 миллисекунды каждые 100 лет. Почему это происходит? Из-за Луны: наш спутник медленно отдаляется от нас, и его гравитационное воздействие ослабевает.
- 1,4 миллиарда лет назад сутки на Земле длились всего 18 часов. А увеличение продолжительности суток привело к активизации цианобактерий, росту выработки кислорода и последовавшим за этим масштабным изменениям в атмосфере и биосфере нашей планеты.
- Разные точки на поверхности Земли вращаются с разной скоростью: на экваторе скорость вращения планеты самая высокая — 1674 км/час. Но чем выше географическая широта, тем ниже скорость вращения, а на полюсах она почти равна нулю. Именно поэтому ракеты в космос выгоднее запускать из точки, максимально приближенной к экватору.
- Циркуляция воздушных масс в атмосфере планеты связана с вращением Земли. Например, пассаты — ветра, дующие у экватора, отклоняются в западном направлении из-за суточного вращения планеты. А траектория движения тропических циклонов тоже связана с вращением планеты и смещается под действием силы Кориолиса — инерционной силы, которая заставляет движущиеся объекты отклоняться от прямолинейного пути.
- Океанические течения тоже связаны с вращением Земли: водные массы отклоняются под воздействием воздушных масс и все той же силы Кориолиса, формируя крупные течения. Это наглядно можно увидеть на примере Тихого океана, где формируются большие круговые системы водных течений.
Сегодня угол наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты — 23°26′14″. Но эта цифра непостоянна: так было не всегда. Ученые проанализировали палеомагнитные данные и выяснили, что в период с 78 по 86 млн лет назад, когда на Земле еще в изобилии водились динозавры, наша планета наклонилась примерно на 12°, а затем вернулась почти в исходное положение: таким образом амплитуда колебания составила 24°. Почему же Земля вообще имеет наклон оси? Ученые полагают, что всему виной столкновения с другими крупными небесными телами в момент формирования Земли. Кроме этого, на формирование наклона оси влияют различные гравитационные силы, действующие со стороны Солнца, Луны и других тел. Кстати, другие планеты нашей Солнечной системы тоже имеют наклоны оси вращения, и у всех они разные.
Почему все планеты Солнечной Системы имеют разный угол наклона оси
Все планеты Солнечной системы имеют разную суточную скорость вращения и свой угол наклона оси вращения. Например, Меркурий и Юпитер почти не имеют наклона оси вращения, а вот Уран почти «лежит» на боку: угол наклона его оси к плоскости орбиты составляет 97,77 °. Сутки тоже у всех разные: оказавшись на Венере, вы будет ждать 243 земных дня, пока произойдет один оборот этой планеты вокруг своей оси, а вот на Юпитере это займет всего 9 часов 50 минут. Сатурн, Юпитер, Уран и Нептун — все эти газовые планеты-гиганты вращаются достаточно быстро: сутки занимают от 9 часов 50 минут на Юпитере до 17 часов 14 минут на Уране.
Почему так получилось? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Планеты формировались в космическом пространстве в разное время при разнообразных условиях и имеют разный химический состав. Они сталкивались с другими объектами, например, с астероидами, и скорость их вращения тоже изменялась. К тому же планеты испытывают гравитационное воздействие со стороны спутников и соседних планет: все это многообразие факторов влияет на угол наклона оси вращения и на скорость этого вращения.
Автор текста Ольга Фролова
Изображение на обложке: Freepik
