بندول فوكو

Foucault's Pendulum in the Panthéon, Paris.

بندول فوكو ، هو بندول سمي على إسم الفيزيائي الفرنسي ليون فوكو ، والذي كان قد إخترع هذا البندول ضمن تجربة لإثبات دوران الأرض.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التجربة

قام الفيزيائى الفرنسى ليون فوكو في عام 1850 ليثبت به حركة الأرض اليومية حول محورها القطبى ، والتى ينشأ عنها تعاقب الليل والنهار ، بعد أن كان معتقدا أن تعاقبهما نتيجة لحركة السماء حول الأرض ، التى اعتبرت ثابتة آنذاك. فلقد قام فوكو بتعليق ثقل وزنه 28 كيلو جرام عبارة عن دانة مدفع في سلك طوله 67 مترا من قبه كنيسة بانتيون في باريس التى تعرف أيضاً بكنيسة سانت جينيفيف Saint Genevive . وثبت في الثقل قلما يتدلى رأسا ليرسم مسار البندول على طبقة من الرمل تحت الثقل . وعندما أطلق البندول في التحرك تبين أن المستوى الذى يتذبذب فيه البندول غير ثابت بل يدور بالنسبة للمبنى في اتجاه دوران عقارب الساعة ، الأمر الذى يشير إلى دوران الأرض تحت البندول .

وفى حقيقة الأمر يختلف الزمن اللازم لكى يعمل المستوى الذى يتذبذب فيه البندول دورة كاملة حسب خط العرض ، فعند القطبين يساوى 24 ساعة تزداد تدريجيا في اتجاه خط الاستواء لتصبح مالا نهاية عند خط الاستواء . أما في مصر فإن مستوى اهتزازة البندول يكمل دورة كاملة خلال 48 ساعة. هذا مع الأخذ في الاعتبار أن اتجاه الدوران يكون في اتجاه دوران عقارب الساعة في النصف الشمالى للكرة الأرضية الذى تقع فيه مصر بينما تنعكس الآية في نصف الكرة الجنوبى حيث يكون اتجاه الدوران عكس حركة عقارب الساعة .

خلال تنقل مؤشر البندول المثبت أسفل الكرة الحديدية واصطدامه بعدد من الأسطوانات المعدنية موضوعة رأسيا على محيط الدائرة التى يرسمها مستوى ذبذبة البندول خلال اليوم حيث تتساقط هذه الاسطوانات تباعاً عند اصطدام الكرة بها على التوالى نتيجة لدوران الأرض حول محورها القطبى دورة كاملة كل 24 ساعة.

A Foucault pendulum at the north pole. The pendulum swings in the same plane as the Earth rotates beneath it.

Animation of a Foucault pendulum, with the rotation rate greatly exaggerated. The green trace shows the path of the pendulum bob over the ground, and the blue trace shows the path in a frame of reference rotating with the plane of the pendulum.

 قصة اكتشاف البندول

كان المعتقد في العصور الوسطى أن الأرض ثابتة في مكانها لا تتحرك وأن تعاقب الليل والنهار هو نتيجة لحركة السماء حول الأرض . ولكننا نعرف الآن أن تعاقب الليل والنهار والحركة الظاهرية للنجوم في السماء هى نتيجة لدوران الأرض حول محورها فهى تكمل دورة كاملة في 23 ساعة و56 دقيقة و 4.09 ثانية ( اليوم ) . وتدور الأرض حول الشمس ، حيث تكمل دورة في 365 يوم و6 ساعة و9 دقيقة و10 ثانية ( السنة النجمية ) . أما الشمس ، فهى تدور حول مركز المجرة (الطريق البنى Milky way ) في 250 مليون سنة وهذه الحركات الدورانية تعتبر حركات محلية . وتعتبر تجربة فوكو من أهم التجارب في هذاالمجال ، وكان قد سبقها بعض التجارب له.

Change of direction of the plane of swing of the pendulum in angle per sidereal day as a function of latitude. The pendulum rotates in the anticlockwise (positive) direction on the southern hemisphere and in the clockwise (negative) direction on the northern hemisphere. The only points where the pendulum returns to its original orientation after one day are the poles and the equator.

 الخلفية العلمية

على أساس مبدأ القصور الذاتى فإن بندول فوكو يحاول أن يحتفظ بمستوى إهتزازته ثابتا . وهذا المستوى ثابت بالنسبة إلى النجوم البعيدة وبمعنى آخر بالنسبة لباقى الكون . أى أن البندول يتجاهل الحركات المحلية سابقة الذكر ومنها الحركة الدورانية للأرض " تحته . ومبدأ القصور الذاتى يفسره القانون الأول لنيتون الذى ينص على الجسم يحتفظ بحالته من السكون أو الحركة الخطية المنتظمة ما لم تؤثرعليه قوة خارجية . هذه الخاصية للجسم تسمى القصور الذاتى . ى أن الجسم قاصر بنفسه أن يغير من حالته دون تدخل قوة خارجية .

إذا وضع بندول فوكو عن القطب الشمالى أو القطب الجنوبى للأرض فإن المشاهد سوف يرى أن مستوى اهتزاز البندول يدور دورة كاملة أى 360 درجة أو 2 ط (زاوية نصف قطرية ) في 24 ساعة . في الواقع هذا خداع بصرى لأن مستوى الاهتزازة لا يتغير ولكن الأرض التى يقف عليها المشاهد هى التى تدور . ودوران مستوى الاهتزازة يكون في اتجاه دوران عقارب الساعة في النصف الشمالى من الكرة الأرضية وفى إتجاه عكس دوران عقارب الساعة في النصف الجنوبى من الكرة الأرضية . ويعتمد الزمن اللازم ليعمل مستوى الاهتزازة دورة كاملة على خط العرض فهو 24 ساعة عند القطبين ويزداد كلما بعدنا عن القطبين ويصبح ما لا نهاية عند خط الاستواء ، أى أنه عند خط الاستواء لا يتغير مستوى اهتزاز البندول .

The device described by Wheatstone.

 بندول فوكو حول العالم

للمزيد من المعلومات: قائمة بندول فوكو

يوجد عدد كبير من بندول فوكو في العالم ، بصفة أساسية في الجامعات,المعامل,المتاحف, والقبب الفلكية.

 انظر أيضا

• Geometric phase
• Parallel transport
• Coriolis force

 وصلات خارجية

إشتقاقات

• Wolfe, Joe, "A derivation of the precession of the Foucault pendulum".
• "The Foucault Pendulum", derivation of the precession in polar coordinates.

نماذج تصويرية

• "The Foucault Pendulum" By Joe Wolfe, with film clip and animations.
• "Foucault's Pendulum" by Jens-Peer Kuska with Jeff Bryant, The Wolfram Demonstrations Project: a computer model of the pendulum allowing manipulation of pendulum frequency, Earth rotation frequency, latitude, and time.
• "Webcam Kirchhoff-Institut für Physik, Universität Heidelberg".
• California academy of sciences, CA Foucault pendulum explanation, in friendly format
• Foucault pendulum model Exposition including a tabletop device that shows the Foucault effect in seconds.

تاريخ

• ليون فوكو Physical demonstration of the rotation of the Earth by means of the pendulum, Franklin Institute, 2000, retrieved 2007-10-31. Translation of his paper on Foucault pendulum.
• Tobin, William "The Life and Science of Léon Foucault".

مشهور

• "South Pole Foucault Pendulum". Winter, 2001.

مواد دراسية

• "Science Design's Small Portable Foucault Pendulum" A company selling a Foucault Pendulum for the classroom.

 المصادر

• Persson, A. The Coriolis Effect: Four centuries of conflict between common sense and mathematics, Part I: A history to 1885 History of Meteorology 2 (2005)

• Phillips, N. A., What Makes the Foucault Pendulum Move among the Stars? Science and Education, Volume 13, Number 7, November 2004, pp. 653-661(9)

• Classical dynamics of particles and systems, 4ed, Marion Thornton (ISBN 0-03-097302-3 ), P.398-401.

• John B. Hart, Raymond E. Miller and Robert L. Mills A simple geometric model for visualizing the motion of a Foucault pendulum, American Journal of Physics -- January 1987 -- Volume 55, Issue 1, pp. 67-70

• Frank Wilczek and Alfred Shapere, "Geometric Phases in Physics", World Scientific, 1989

• Charles Wheatstone Wikisource: "Note relating to M. Foucault's new mechanical proof of the Rotation of the Earth", pp 65--68

• Julian Rubin, The Invention of the Foucault Pendulum, Following the Path of Discovery, 2007, retrieved 2007-10-31. Directions for repeating Foucault's experiment, on amateur science site.