آونگ فوکو زمین شگفت انگیز

آونگ فوکو

علاوه بر اثرکوریولیس و پخی زمین ، آونگ فوکو هم یکی از دلایل چرخش زمین به دور خود است.
اساس آزماش به این شرح است : نیروهای موثر بر آونگ ( گرانش زمین و کشش نخ) در یک صفحه قرار می گیرند که همان صفحه ی آونگ است . بنابراین وقتی آونگ حرکت نوسانی آزاد پیدا می کند ، این حرکت همواره روی یک صفحه خواهد بود . این ویژگی در علم فیزیک اینگونه تعریف می شود : " سطح نوسان آونگ موقعیت فضایی آن را تغییر نمی دهد. "

در سال 1851 م. برنارد لئون فوکو (1868 - 1819 ) یک آونگ از سقف یک معبد در پاریس آویخت و با توجه به این نکته که صفحه ی نوسان آونگ در طول روز می چرخید ، چرخش زمین را اثبات کرد. اگر زمین نمی چرخید ، این چرخش صفحه ها اتفاق نمی افتاد ، یه این دلیل که تمام نیروهای وارد بر توپ (یعنی گرانش زمین و کشش سیم) در صفحه نوسان هستند.
از زمین دور می شویم و تاب خوردن آونگ در حین چرخش زمین مشاهده می کنیم. در قطب شمال ، در حالی که زمنی زیر آونگ هر 24 ساعت نجومی یک دور می چرخد ، به نظر می رسد که آونگ با دوره ی تناوب ، ساعت p=24 ، به طرف غرب می چرخد. آونگی که در صفحه ی استوایی در استوای زمین نوسان می کند ، هیچ گونه نیروی عمودی بر صفحه ی نوسانش احساس نمی کند و بنابراین اصلا نمی چرخد (p=∞). در یک عرض جغرافیایی میانی ،φ، مولفه ی عمودی تندی زاویه ی زمین ، ω عیارت است از φ sinω. به هر حال تندی زاویه ای به طور معکوس با دوره ی تناوب چرخش متناسب است =2π/p) ω (به طوری که به نظر می رسد آونگ با دوره ی تناوب φ P=24 h / sin  به طرف غرب می چرخد. اندازه گیزی های دقیق آونگ هی فوکو این رابطه را دقیقا تاکید می کنند و به ما امکان می دهند تا دوره ی تناوب چرخش زمین را به طریق کاملا دینامکی بررسی کنیم.

چرخش زمین

مفاهیم پایه

چنین واقعیتی که انسان بر روی سیاره‌ای در حال چرخش سکونت دارد برای مدت زیاد غیر قابل اثبات بود. به طور کلی شتابی که در اثر چرخش زمین پدید می‌آید (شتاب کوریولیس Coriolis Acceleration) را می‌توان در یک سیستم در حال چرخش تشخیص داد. فرسایش سمت راست رودخانه‌ها در نیم کره شمالی و سواحل سمت چپ در نیم کره جنوبی در اثر این شتاب صورت می‌گیرد. شتاب کوریولیس خود را در جسمی که در حال حرکت است آشکار می‌کند، به علاوه دلیل غیر مستقیم چرخش زمین است. پدیده‌هایی که دلیل چرخش زمین را ثابت می‌کنند بسیار متقاعد کننده‌تر از پدیده‌هایی هستند که شتاب را تعیین می‌کنند. به نظر می‌رسد که حرکت روزانه قابل روئیت خورشید در آسمان و تغییراتی که از روز تا شب پدید می‌آید، دلیل مسلمی برای چرخش زمین است.




 

اگر زمین ساکن بود چه می‌شد؟

اگر زمین ساکن بود و اجرام آسمانی و خورشید به دور آن می‌چرخیدند، باز هم جهان وضعیت کنونی خود را می‌داشت. تشخیص چرخش اجرام سماوی دیگر بر مبنای مشاهدات مستقیم امکان پذیر بود به عنوان مثال می‌شد که چرخش خورشید را از طریق جابجایی لکه خورشیدی و چرخش مشتری را در اثر تغییرات ایجاد شده در اشکال سطح آن که از زمین قابل روئیت هستند، مشاهده نمود. در صورتیکه برای زمین از مکان دیگر این امکان وجود نداشت.




 

نوسان آونگ فوکو و چرخش زمین

آزمایش آونگ در حال نوسان فوکو (Fuucault) چرخش زمین را به نحو قانع کننده‌ای اثبات می‌کند. در اساس این آزمایش نیروهایی که بر آونگ در حال نوسان وارد می‌شود، یعنی نیروی گرانشی و کشش نخ در یک صفحه (صفحه نوسان آونگ) قرار دارند. بنابراین ، اگر آونگ آزادانه به حرکت در آید، همواره در صفحه ثابتی نوسان خواهد کرد. این خاصیت بیانگر این مفهوم فیزیکی است که موقعیت صفحه آونگ در حال نوسان در فضا تغییر نمی‌کند. اثبات چرخش زمین به توسط آونگ در حال نوسان ، کاملا شناخته شده است. ولی اثبات دقیق این مطلب که صفحه آونگ در حال نوسان در اثر چرخش زمین می‌چرخد، در مدت زمان طولانی صورت می‌گیرد.
 

آونگ پوشه خونف

در اوایل دهه 1950 پوشه خونف (Poshekhohov) روسی آونگی کشف کرد که چرخش روزانه زمین را نشان می‌داد. این دستگاه آونگ معمولی نبود و دلیل چرخش آن براساس یک اصل جدیدی بود. این آونگ از یک قاب عمودی تشکیل یافته است که بر روی پایه‌ای نصب گردیده است، بطوری که می‌تواند به دور یک محوری چرخش کند. میله در حال چرخشی که دو انتهایش دارای وزنه می‌باشد به وسط یک محور افقی که بین دو پهلوی قاب واقع شده، متصل می‌باشد. کار این دستگاه بر اساس قانون بقای اندازه حرکت خطی است. آونگ پوشه خونف را می‌توان به نحو قابل قبولی برای نشان دادن چرخش زمین بکار برد. در این صورت تغییر وضعیت بسیار سریعتر از آونگ فوکو حاصل می‌گردد.




 

مطالعه فضایی چرخش زمین

برای مطالعه موضوعی زمین ، می‌توان از آن فاصله گرفت و چرخش آنرا از فضا رصد نمود. به بیان دیگر می‌توان به کرات دیگر سفر کرد و همان بررسیهایی که ما از زمین بر روی آنها انجام می‌دهیم، عکسش را برای زمین انجام داد. البته از روی گردش فصول و تغییرات جوی ، شرایط آب و هوایی ، توفان مغناطیسی ، کمربندهای تشعشعی زمین و پدیده‌های متنوع دیگری چرخش زمین را ثابت نموده و سرعت و دوره تناوب چرخش را به دست آورد.
 

حرکت قمرهای مصنوعی حول زمین

یک قمر مصنوعی که بر روی مداری از زمین در حرکت است، فقط تحت تأثیر نیروی گرانشی زمین قرار دارد که در صفحه این مدار واقع می‌باشد (البته عدم کرویت زمین لحاظ نمی‌شود). با توجه به این واقعیت ، موقعیت صفحه مدار ماهواره نسبت به ستارگان در کوتاه مدت تغییر نمی‌کند. اگر زمین به دور خود نمی‌چرخید، ماهواره در هر چرخش از نقاط یکسانی بر روی سطح زمین عبور می‌کرد. ولی از آنجایی که چرخش زمین از غرب به شرق صورت می‌گیرد، مسیر حرکت ماهواره ، یعنی تصویر حرکت آن بر روی سطح زمین ، پیوسته به غرب تغییر مکان می‌یابد.

از روی بررسی حرکت ماهواره حول زمین و نیز بررسی حرکت سایر اجرام آسمانی و قوانین حرکت آنها و نیز قوانین کپلر بخصوص قانون سوم کپلر برای اجرام متحرک دوره چرخش و دامنه نوسانی لحاظ می‌شود که با این بررسیها نیز می‌شود چرخش زمین را ثابت نمود و میزان دوره تناوب ، سرعت چرخش را بدست آورد و پدیده‌های ناشی از این چرخش منظم زمین را مورد مطالعه قرار داد.
 

علاوه بر اثرکوریولیس و پخی زمین ، آونگ فوکو هم یکی از دلایل چرخش زمین به دور خود است. اساس آزماش به این شرح است : نیروهای موثر بر آونگ ( گرانش زمین و کشش نخ) در یک صفحه قرار می گیرند که همان صفحه ی آونگ است . بنابراین وقتی آونگ حرکت نوسانی آزاد پیدا می کند ، این حرکت همواره روی یک صفحه خواهد بود . این ویژگی در علم فیزیک اینگونه تعریف می شود : " سطح نوسان آونگ موقعیت فضایی آن را تغییر نمی دهد. "

در سال 1851 م. برنارد لئون فوکو (1868 - 1819 ) یک آونگ از سقف یک معبد در پاریس آویخت و با توجه به این نکته که صفحه ی نوسان آونگ در طول روز می چرخید ، چرخش زمین را اثبات کرد. اگر زمین نمی چرخید ، این چرخش صفحه ها اتفاق نمی افتاد ، یه این دلیل که تمام نیروهای وارد بر توپ (یعنی گرانش زمین و کشش سیم) در صفحه نوسان هستند.
 

از زمین دور می شویم و تاب خوردن آونگ در حین چرخش زمین مشاهده می کنیم. در قطب شمال ، در حالی که زمنی زیر آونگ هر 24 ساعت نجومی یک دور می چرخد ، به نظر می رسد که آونگ با دوره ی تناوب ، ساعت p=24 ، به طرف غرب می چرخد. آونگی که در صفحه ی استوایی در استوای زمین نوسان می کند ، هیچ گونه نیروی عمودی بر صفحه ی نوسانش احساس نمی کند و بنابراین اصلا نمی چرخد (p=∞). در یک عرض جغرافیایی میانی ،φ، مولفه ی عمودی تندی زاویه ی زمین ، ω عیارت است از φ sinω. به هر حال تندی زاویه ای به طور معکوس با دوره ی تناوب چرخش متناسب است =2π/p) ω (به طوری که به نظر می رسد آونگ با دوره ی تناوب φ P=24 h / sin  به طرف غرب می چرخد. اندازه گیزی های دقیق آونگ هی فوکو این رابطه را دقیقا تاکید می کنند و به ما امکان می دهند تا دوره ی تناوب چرخش زمین را به طریق کاملا دینامکی بررسی کنیم.

ولی برای فهم بهتر مطلب از سرگروه محترم بابلسر (جناب آقای یوسفی روشن)نقل قول می شود:

باسلام احترام، آزمایش آونگ فوکو دراثبات حرکت وضعی زمین درفصل 1 علوم زمین 1 بیان شده است.که آزمایش فوق برای دانش آموزان بسیارجذاب می باشد. لذا مطالب ذیل که ازکتاب زمین درفضا تالیف مهندس دالکی تهیه شده است که جهت اطلاع ارسال می گردد.

اولین فردی که توانست به صورت علمی گردش وضعی زمین را اثبات کند،فیزیکدان فرانسوی قرن نوزدهم ژان برناردلئون فوکوبود که درسال 1851 ازامکانات موجود آن استفاده کرد واین پدیده را به اثبات رساند.

اوبرای اجرای این برنامه ازسقف گنبدپانتئون«pantheon»درپاریس وزنه ای معادل 28 کیلوگرم رابه طناب نازکی به ارتفاع 67 مترآویزان کردوزمان نوسان را16 ثانیه به دست آورد.چهارسال بعد «1855»اوبه لحاظ این کارعلمی وسایر کارهایش مدال کاپلی رادریافت کرد.حرکت آونگ فوکوبراساس قانون اول نیوتن است که می گویدجرمی که درخطی مستقیم درحرکت است پیوسته جهت وسرعت خودراحفظ می کندتازمانی که نیرویی خارجی برآن اثرگذارد.آونگ فوکوبه گونه ای آویزان می شودکه درمحل اتصال امکان چرخش آزادانه دریک نقطه ثابت راداردودرنتیجه حرکت منحصربه یک صفحه نمی شود.

زمانی که آونگ فوکوبه حرکت درمی آید تقریباً بادامنه ثابت به حرکت ادامه می دهدوسعی می کنددرصفحه قائم نسبت به مختصات ثابت فضایی چرخش کند؛تاثیرنیروی جاذبه نهایتاً اثرگذار می شود.

اما،زمین،پیوسته تحت تاثیر حرکت وضعی درزیروزنه می چرخد،بنابراین اگردایره ای مدرج درزیرآونگ قرارگیردمیسرخطی پاندول « درنیمکره شمالی» ظاهراً به دورمرکز آن عقربه های ساعت می چرخد.

اگرپاندول فوکودریکی ازقطیبن جغرافیایی زمین نصب کننداین حرکت ظاهری ظرف 24 ساعت انجام می پذیردودرواقع این زمین است که درزیرپاندول حرکت می کندودرحقیقت جهت حرکت پاندول درفضاثابت مانده است.

حرکت ظاهری پاندول فوکوبستگی به عرض جغرافیایی نقطه موردنصب دارد.پاندول درقطب ها سریعتر می چرخدوهرچه به استوا نزدیکتر می شویم سرعت آن کمترمی شود.به طوری که زمان برای یک دوره درقطبین24 ساعت ودراستوا بی نهایت است پس می توان نوشت

دراین رابطه T مدت زمان لازم برای چرخش یک دوره پاندول برحسب ساعت و
عرض جغرافیایی نقطه پاندول وعدد24 نیزبرحسب ساعت است.بااستفاده ازاین فرمول،زمان لازم برای یک دوردرتهران باعرض جغرافیایی 35درجه و48دقیقه و7ثانیه وطول جغرافیایی 51درجه و23دقیقه و45ثانیه برابر41ساعت و1دقیقه و36ثانیه خواهدبود.

سرعت چرخش نیزتابع رابطه زیراست:                                                                                                   

که دراینجا V سرعت برحسب درجه درساعت، عرض جغرافیایی،و15نیزدرجه است.به این ترتیب سرعت گردش پاندول درتهران 77/8 درجه درساعت باشد.

جهت گردش پاندول درنیمکره شمالی موافق عقربه های ساعت ودرنیمکره جنوبی خلاف آن است.

اگر زمین چرخش نداشت در جهت نوسان آونگ هیچ تغییری نباید به وجود می آمد. اما معلوم شد که جهت نوسان اونگ نسبت به معبد تغییر پیدا کرده است. بدین ترتیب با این آزمایش چرخش زمین ثابت گردید....

نکته ی 1) اگر این آزمایش در قطب انجام می شد زمان لازم برای یک دور چرخش صفحه ی آونگ نسبت به زمین تقریبا 24 ساعت می بود. وقتی از قطب به سمت استوا می رویم این زمان افزایش می یابد. و اگر در استوا انجام می شد تغییری در جهت آونگ پیش نمی آمد...زیرا زمین در استوا حرکت پیچشی ندارد.

نکته ی 2) در استوا محیط زمین حدود 40000 کیلومتر است.چون زمین هر 24 ساعت یک بار به دور خود میچرخد. سرعت زمین در استوا 1600 کیلومتر بر ساعت خواهد بود. اما هر چه از استوا به سمت شمال یا جنوب پیش میرویم این سرعت کمتر شده تا در قطب ها به صفر میرسد.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: