钟摆律 福柯的钟摆如何证明地球自转？

福柯的钟摆如何证明地球自转？  

1851年2月3日，一位32岁的法国人从医学院退学并涉足摄影，他明确地证明了地球确实在旋转，这让巴黎的科学机构感到惊讶，莱昂·福柯决定用钟摆来说明地球运动的影响。他召集了一群科学家，用一张写着“你被邀请去看地球转动”的纸条引诱他们。福柯在巴黎天文台子午线室的天花板上挂了一个钟摆。当它掠过天空时，它追踪到了一个有效地证明世界绕着一个轴旋转的模式。

一个月后，福柯在宏伟的万神殿大楼与整个巴黎分享了他的实验。据美国物理学会（American Physical Society）称，他在一根220英尺长的缆绳上悬挂着一个61磅重的黄铜鲍勃，从万神殿的高耸圆顶上。当它来回摆动时，鲍勃的尖端在倒在木平台上的沙子上划出一条线。随着时间的推移，这些线的角度发生了变化，向观众暗示钟摆的运动方向在地球未被察觉的旋转运动的影响下发生了变化。

福柯能够以普通人容易掌握的方式展示一个科学概念，APS公共推广负责人丽贝卡C汤普森说。几个世纪以来，人们一直认为地球绕着一条轴旋转。但正是福柯一劳永逸地消除了挥之不去的疑虑，使这一现象牢固地确立在事实的领域。汤普森说：“它真正开始了从根本上以不同的方式理解我们的宇宙的文化转变。

”

这项实验很成功，吸引了一群着迷的巴黎人，并使福柯一举成名。基于福柯计算的钟摆开始在世界范围内出现，并且仍然是美国和其他国家许多科学博物馆的标志性特征。

史密森学会将钟摆作为其历史和技术博物馆（后来成为美国历史国家博物馆）的焦点。这座于1964年在华盛顿国家购物中心开张的建筑是专门设计用来模拟钟摆的。它悬挂在三楼的天花板上，伸展71英尺，穿过大楼的中心，在那里它缓慢而有节奏地摇摆着，穿过一楼一个装饰华丽的圆圈。史密森钟摆的目的是要从上面看，在二楼。

一个福柯启发的钟摆装置在西班牙巴塞罗那的宇宙博物馆。由于地球自转，钟摆的运动轨迹发生了变化，钟摆将逐渐撞击圆周上所有的垂直杆。（Wikimedia Commons）

往下看，参观者会看到一个对称的空心黄铜鲍勃，重约240磅，形状像一个倒着的泪滴。当它在电磁力的推动下来回移动时，尽管电缆中存在空气阻力和振动，但它仍能保持连续摆动，这样就可以击落一英寸左右高的销子，这些销子沿着一个小圆圈的周长固定在固定点上。随着时间的推移，观众可以看到钟摆摆动变化的方向，这意味着地球在其下方旋转。

史密森钟摆和所有钟摆一样，按照福柯的正弦定律移动，根据其纬度预测钟摆的路径每天会扭曲多少。如果没有外力，钟摆会在一个平面上来回摆动，永远不会有逐渐的角位移。但是地球是旋转的，所以故事并没有那么简单。

因为地球表面的所有点都是以一个单位旋转的，因此那些位于靠近赤道的行星较宽部分的点必须每秒覆盖更多的米（即速度更快），才能“跟上”那些每天在地球表面追踪较小圆圈的点极北和极南纬度地区。虽然他们感觉不到站在厄瓜多尔的基多，移动速度明显高于冰岛的雷克雅未克。

，因为钟摆的每一次摆动都会把它从一个离赤道较远的点带到一个离赤道较近的点，反之亦然，而且这些点的速度不同，钟摆的轨迹随着每次摆动而微妙地扭曲，逐渐偏离原来的方向。汤普森解释说，这种影响的程度取决于地球上钟摆摆动的位置。北极的

在纬度上的微小变化具有重大影响，钟摆所追踪的路径将在短短24小时内移动360度。同时，在赤道，一个钟摆的运动将不会被认为是扭曲的。

使用他的正弦定律，福柯预测他在巴黎的钟摆路径将每小时移动11.25度，或一天移动270度。确实如此，史密森钟摆

最终被退役，理由是它与美国历史没有太大关系，美国历史和技术博物馆的新焦点。（史密森学会档案）

他的正弦定律允许任何有三角学基础的人用钟摆来确定他们的纬度。但大多数情况下，在世界各地的博物馆里，钟摆是一个能引起惊奇的物体。

就像史密森国家自然历史博物馆圆形大厅里迎接游客的大象一样具有标志性，历史和技术博物馆的钟摆是一个聚会场所，是反思和教育的醒目背景。“这就像公园里的喷泉，”美国历史博物馆工作和工业部门的馆长彼得·利伯尔德说，

儿童和成人都会盯着钟摆，思考它的运动和意义。1998年的一天早晨，博物馆还没开馆，缆绳就断了，巨大的鲍勃就冲到地上，差一点就找不到一名工作人员。

并没有修理缆绳，而是选择让福柯的钟摆退役。利勃霍德说，该公司当时的主管认为，该设备与美国或历史没有太大关系，

这一决定让员工产生了分歧。“有钟摆拥抱者和钟摆憎恨者，”利勃霍德说。亲钟摆的员工说，这是酷和有趣的观看。反钟摆组织认为，这对博物馆向公众传授美国历史和文化的努力没有多大帮助。

虽然利勃霍德说他是在仇恨者的阵营里，但他相信钟摆有自己的位置，就在其他地方。钟摆“使大众更加相信科学的力量，”他说。

汤普森同意，并指出，虽然钟摆不再需要证明地球自转，“如果我们能让孩子们从事科学，它是有用的。”