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不用去太空,傅科摆可以让你在地球上看到地球自转

2020-03-10  冬不拉拉

每天太阳东升西落,晚上又有'半个月亮爬上来',依据常识,我们都会知道一定有东西在转动,那到底是什么在转动呢?最直观的解释就是太阳月亮都围绕着地球转动,这也是最好理解的,这方面最成功的理论就是托勒密的'地心说'。

不过理论并不是只用来解释日常的,还需要解释天象,比如日食月食什么时候有,这个问题在那个时代很重要,还有更重要的编撰历法,这是关系国计民生的大事,春种秋收都靠历法,慢慢地地心说的错漏之处也显露出来了。

于是就有了哥白尼的'日心说','日心说'虽然不是绝对真理,但比'地心说'前进了一大步,这也引来了教会的疯狂报复,在教会的眼中,大地作为宇宙中心才更能符合他们的利益,而且要是'日心说'正确的话,那么地球就要转起来了,这是教会无论如何都不能接受的,出于对教会的恐惧,哥白尼临去世前才公布了他的研究。

伟大的伽利略接过了哥白尼的旗帜,继续宣扬'日心说',教会再也不能忍受了,对伽利略进行了'世纪审判',年迈的伽利略跪在冰冷的地面上,喃喃说道'毕竟地球就是在转动啊'。

教会之所以会这么肆无忌惮,当然是因为他们掌握的巨大权力,还有很重要的一点那就是人们并不能感觉到地球转动,无论哥白尼还是伽利略都是依靠天文观测知道的地球转动,而绝大部分人是没有机会进行天文观测的。

要是傅科生在了那个年代,估计教会就不会那么嚣张,因为他发明的傅科摆就可以让每个人都看到地球在转动。

不用去太空,傅科摆可以让你在地球上看到地球自转

傅科

1、 为什么人们感觉不到地球转动

先来说一下为什么在地球上不容易感到地球的转动。

首先我们每个人对于地球来说太渺小了,我们小时候都做过旋转木马,即使闭上眼睛堵上耳朵,我们也能知道木马在旋转,因为都能感到向心力,就是旋转木马对每个人的推力,我们都要抓紧栏杆,还有一个游戏叫疯狂老鼠,那个感觉就更强烈了,都感觉要飞出去了,这就是向心力。

地球的旋转速度也非常快,'坐地日行八万里'嘛,为什么我们感觉不到旋转的向心力呢?因为地球太大了,自转的角速度又太小了,24小时才转360°,要是旋转木马也是这个角速度的话,我们也感觉不到向心力,不过没有一个商家会这么做,因为一天才转一圈,那就赔死了。

还是来看看向心力公式吧,来计算一下地球自转我们受到多大力量。

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公式中,T就是周期,就取24小时吧,r是地球半径,就按照6400千米算吧,m是人体质量,按照60kg,这样算下来,向心力大约就是2牛顿,差不多就是人体重量的1/300,这还不如一阵风的力量大呢,所以我们就根本感觉不到。

要是地球的旋转速度快到1小时22分钟一圈的话,向心力就差不多等于我们的体重了,那么我们就可以飞起来了。

但是即便木马转的非常慢,我们不用抓紧栏杆,仅仅凭摩擦力就可以对抗向心力的时候,就是说感觉不到向心力,我们照样知道木马在转,这是由于我们睁着眼呢,可以看到身边不动的东西,这就是参照物,可是在地球上我们找不到这么一个不动的参照物,所以也就感觉不到地球的自转了。

二、傅科让人们看到了转动的地球

根据牛顿第一定律,在没有受到外力情况下,物体的运动状态不变,但是完全不受外力的物体是不存在的,只能找到受外力影响非常小的系统,于是傅科想到了单摆。

说起来单摆还是伽利略的发现,伽利略在看到教堂的钟的时候,发现来回摇晃的钟每次摇摆都具有等时性,这同样也是后来惠更斯发明挂钟的原理,其实单摆在摆动角度很小的时候,小于5°的时候是一个简谐振动,在没有耗尽初始能量之前是一个稳定系统。

要是单摆在一个固定平面上,单摆来回摆动的轨迹是完全重合的,但是要是再一个转动的平面上呢,当单摆摆过来的时候,是一条轨迹,摆回去的时候由于平面已经转动了一个角度,那么单摆的轨迹就和原来的有一点偏差,只要记录单摆的轨迹就可以知道平面是不是转动了。

同样这个原理也可以用在地球上,不过单摆要做的非常大,因为地球转的太慢了。于是傅科就做了一个巨大的单摆。

傅科把单摆建在法国先贤祠最高的圆顶下,摆长67米,摆锤重28公斤,为了显示单摆的轨迹,在单摆下面安放了一个巨大的沙盘,每次单摆划过都会留下一条痕迹。

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傅科摆

1851年,傅科摆启动了,人们惊奇地发现,单摆每振动一次(周期为16.5秒),摆尖在沙盘边沿画出的路线移动约3毫米,每小时偏转11°20'(即31小时47分回到原处)时,这说明地球确实在转动,很多教徒都惊呆了,这次是真的看到了地球在转动。

傅科摆不但证明了地球的自转,还可以判断在哪个半球,在《名侦探柯南》中,柯南靠抽水马桶中水的旋转方向来判断是南半球还是北半球,这是完全错误的,只能说明漫画家的科学常识不足,但是用傅科摆却可以,南半球的傅科摆会朝左边转动,北半球呢自然就朝右边转动了。

傅科摆的应用还不止于此,利用傅科摆还可以测量纬度,傅科摆平面转动的公式可以用Θ=15tsinφ来表示,t为偏转所用的时间,用小时表示,这个拿个钟表就可以测量出来,φ就是当地的纬度,15呢,则是地球一小时自转的角度,因为24小时自转360°,一小时当然就是15°了。

这样就会发现一个问题,要是在赤道上,那么纬度为0°,sinφ就是0了,这就是说在赤道上傅科摆是不偏转的,这是为什么呢?

这就要说到之前的参照物了,其实地球的自转是相对于星空的自转,要是在地球上的物体为参照物是体现不了地球的自转的。

而且牛顿力学的最根本的基础就是参照系,遵循牛顿第一定律的系统都是相对于绝对空间的,这个绝对空间就是以太,其实牛顿也对以太不太有兴趣,他的水桶实验就对此提出了疑问,马赫认为牛顿力学的参照系应该是星空,漫天繁星中最稳定当然就是北极星了,所以地球自转的参照系就应该是北极星了。

而北极星就在地球地轴的延长线上,而赤道面是和地轴垂直的,这样赤道面也就成了一个静止的参照系,在赤道的傅科摆自然就是不转动了。

不过还有一个小问题,那就是傅科摆也在随着地球自转而转动啊,那么就不再是牛顿的惯性系了啊,这个问题傅科早就想到了解决办法,他把单摆用一个万向节挂在了圆顶之下。

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万向节

万向节大家都很熟悉了,那是传动系统的重要零件,可以使得连接件的夹角在一定范围内变化,其实我们的四肢关节就是一种万向节,这样地球自转对单摆造成的轻微影响就可以消除了。

2、 穿越者傅科

傅科本来是学医的,可是他的一个缺点就是怕血,这个缺点也确实没办法继续学医,傅科只好放弃了医学,但凡放弃医学的都会有一番大成就,比如鲁迅先生弃医从文,余华也是弃医从文,更不用说孙中山先生弃医从革命了,傅科也不例外,他放弃医学后改学物理,成为了一代物理大师。

上面所说的傅科摆只不过是他重要贡献中的一项,他还测量了光速,发现了傅科电流,这足以使他在光学和电磁学方面名留青史,但是傅科并不是只在象牙塔中,他还改进了瓦特的蒸汽机,使运行更加平稳。

在展现傅科摆之后的第二年,傅科发明了陀螺仪,这可能是航海航空领域最重要的发明,在导航没有出现的年代,人们就是靠陀螺仪走向星辰大海,即便今天,陀螺仪也是重要的导航设备,我们把手机倒过来,屏幕也跟着翻转了过来,就是因为手机里有一个小小的陀螺仪。

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陀螺仪

在小说《傅科摆》中,作者翁贝托艾柯认为傅科是一个穿越者,不过他不是从现在穿越到过去,而是从过去穿越过来的,听起来有点象借尸还魂。

傅科的所有成就都和他生活时代二百年前的物理学大师惠更斯相关,他就好像是惠更斯穿越到了傅科身上。

傅科摆其实就是一个大型的惠更斯钟摆,而惠更斯更是光学大师,是光的波动说的代表人物,傅科就测量了光速,惠更斯对天体物理颇有兴趣,傅科就发明了陀螺仪。

这就好像是惠更斯壮志未酬,又附身到傅科身上继续为科学做贡献一样,当然了,这些都是玩笑了,每一个伟大的科学家都值得我们铭记。

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