8 января 1851 года было доказано, что наша Земля вертится. Это сделал Жан Бернар Леон Фуко благодаря сконструированному им прибору. Впоследствии он был назван маятником Фуко. Более подробно об этом событии вы узнаете из нашей статьи
Понять эксперимент не так-то просто, но попытаемся всё же проникнуть в его суть. Фуко подвесил пятикилограммовый шар из латуни на стальной двухметровой проволоке к потолку. Затем он его раскачал. Что же он смог заметить?
Исследователь зафиксировал поворот плоскости раскачивания на несколько градусов. Какой вывод можно было сделать из этого наблюдения? Только один – Земля вращается!
Демонстрация в Пантеоне
Поздно ночью Фуко записал это гениальное открытие, а месяцем позже собрал академиков в Парижскую обсерваторию. Президент Второй Республики Луи Бонапарт (будущий Наполеон III) потребовал провести опыты Фуко в Пантеоне – архитектурно-историческом памятнике Парижа. Его очень заинтересовало данное открытие.
Исследователь продемонстрировал свой прибор общественности, а также вновь провёл эксперимент. Только шар, подвешенный под самым куполом, уже весил 28 килограмм, а стальная проволока была длиной в 67 метров. Естественно, это делалось для большей наглядности. Крепление маятника было таково, что позволяло производить колебания во всех направлениях. Под креплением было сооружено шестиметровое круговое ограждение , вокруг которого находилась песчаная дорожка. Это было сделано для того, чтобы маятник при её пересечении оставлял отметки.
Период колебаний был 16, 4 секунды. При каждом новом колебании отклонение от пересечения дорожки было приблизительно 3 мм. А за целый час плоскость колебания изменилась практически на 11 градусов! Примерно за 32 часа был совершён её полный оборот.
Немного интересных фактов о маятнике Фуко
Безусловно, данный эксперимент подтвердил, что наша Земля вращается. В ночь с 11-го на 12-е апреля 1931 года маятник был запущен в Исаакиевском соборе. Это было названо триумфом науки над религией. Однако сами представители церкви не усматривали в этом действии опровержения существования Бога. В 1986 году маятник всё же был снят, и до сих пор хранится в подвалах собора.
Действующие модели маятника Фуко есть в Красноярске, Новосибирске, Волгограде, Харькове, Казани и многих других городах. В 2011 в Киевском политехническом институте появился самый большой маятник в СНГ весом в 43 кг. А в 2013 году в Фундаментальной библиотеке МГУ запустили маятник весом в 18 кг.
Маятник Фуко помог решить замысловатую задачу П.Л. Капицы. Прибор был использован для измерения длины суток на Венере, где абсолютная облачность лишает возможности наблюдать небесные светила.
Приведем ряд Физических доказательств и логических соображений, относящихся к вращению Земли вокруг оси.
Опыт с маятником Фуко (впервые произведен в 1851 г. в Париже). Маятник - груз, свободно висящий па длинной нити, - при качании неизменно сохраняет плоскость своего качания. Прикрепленный к потолку высокого здания, он переносится в пространстве вместе со зданием благодаря вращению Земли, но и при этом продолжает качаться в плоскости, параллельной первоначальной.
Французский ученый, ФИЗИК Фуко, прикрепил к грузу маятника острие, а на полу у краев круга были насыпаны песчаные валики. При качании маятника острие оставляло на песке новые и новые следы. Этот опыт, несомненно, доказывает вращение Земли, так как при каждом качании оставался новый след (здание вращается вместе с Землею, а направление качания маятника остается прежним). При опыте Фуко в Париже длина маятника была 67 метров; груз весил 28 килограммов. Чем длиннее нить маятника, тем медленнее происходит качание.
1 Чем дальше от экватора производится опыт, тем кажущееся отклонение маятника значительнее. На каждом из полюсов расхождение между начальным направлением качания маятника и направлением спустя час составлят 15°, На экваторе никакого отклонения маятника нет.
2 В настоящее время опыт Фуко, шире и нагляднее чем где- либо, демонстрируется с 1931 г. в Ленинграде в Гос. антирелигиозном музее (бывший Исаакиевский собор). Длина маятника 98 м; груз 60 кг.
Сжатие Земли у полюсов. Земля сжалась в далеком прошлом, когда была еще в расплавленном состоянии; от действия центробежного Эффекта экваториальная часть несколько удалилась от осп вращения, а полюсы, следовательно, сблизились.
1 Приводим для любителей математики Формулу маятника.
где Т-продолжительность качания, I - длина маятника, g-ускорение силы тяжести,
я- 3,14 ^ отношение длины окружности к диаметру). 2 Величина часового отклонения маятника на любой широте определяется по Формуле 15°. stwcp, где ср - широта места.
Уменьшение силы тяжести с приближением к экватору. Действие центробежной силы сказывается и в настоящее время в уменьшении напряжения тяжести с приближением к экватору. Значит, Земля вращается. Проверяется это особенно точно с помощью специального маятника.
Отклонение падающих с большой высоты тел к востоку- указывает на вращение Земли и направление этого вращения, также как и особое размывание берегов рек (правый берег размывается больше в северном полушарии; левый больше - в южном).
И, наконец, подкрепим вышесказанное следующими логическими соображениями.
Если бы Земля не вращалась, то каждое из небесных тел должно бы в течение суток пройти громадный путь (каждое со своей особой скоростью), так как они находятся от Земли на различных расстояниях и ежесуточно видны на прежнем месте.
Совершенно Фантастической скоростью должны бы обладать даже ближайшие небесные тела, чтобы успеть в течение суток совершить полный круговой путь вокруг неподвижной Земли.
Солнце, Луна, планеты, вращаются вокруг своих осей (Земля - планета).
Вернемся теперь к вопросу о том, является ли Земля инерциальной системой отсчета или нет. Для того чтобы выяснить, является ли та или иная система отсчета инерциальной, достаточно сопоставить ускорения тел относительно этой системы отсчета с силами, действующими на эти тела со стороны других тел. Если эти силы объясняют наблюдаемые движения тел, т. е. силы и ускорения во всех случаях удовлетворяют второму закону Ньютона, то система инерциальна. Если же оказывается, что имеются ускорения, которые нельзя объяснить действием других тел, это значит, что система неинерциальна, а ускорения вызываются соответственными силами инерции.
Опыт, доказывающий таким способом неинерциальность Земли (а именно - ее вращение относительно инерциальных систем отсчета), произвел в 1851 г. в Париже французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868). В опыте Фуко производились наблюдения за качаниями маятника, запущенного в определенной плоскости (маятник Фуко). Для того, чтобы можно было в течение достаточно долгого времени наблюдать качания, Фуко применил в качестве маятника груз, подвешенный на очень длинной (67) тонкой проволоке. Период маятника составлял 16с. Чтобы проволока не могла закручиваться, ее верхний конец был укреплен в подшипнике, который мог свободно вращаться вокруг вертикальной оси. На груз маятника действовали только две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила натяжения проволоки, направленная вдоль проволоки вверх. Таким образом, результирующая сил, действующих на маятник, лежала в вертикальной плоскости, проходящей через проволоку, т. е. в плоскости качаний маятника. При запуске маятника принимались меры для устранения толчков в направлении, перпендикулярном к начальной плоскости качаний: для запуска груз оттягивался в сторону от положения равновесия нитью, которая затем пережигалась. В результате маятник начинал двигаться в той вертикальной плоскости, в которой лежала проволока до пережигания нити.
Если бы Земля была инерциальной системой отсчета, то при таком способе запуска маятник и при последующих колебаниях оставался бы в той же самой вертикальной плоскости. Оказалось, однако, что плоскость качаний маятника не оставалась неподвижной по отношению к Земле, а поворачивалась по часовой стрелке (если смотреть на маятник сверху). Траектория движения груза маятника относительно Земли показана на рис. 210. На рисунке для наглядности сильно преувеличен угол поворота плоскости качаний при каждом колебании маятника.
Рис. 210. Траектория груза маятника Фуко (в северном полушарии)
Опыт Фуко производился и в других местах земного шара (в том числе и в южном полушарии, где плоскость качаний поворачивалась против часовой стрелки). Выяснилось, что при приближении к полюсу - северному или южному- угловая скорость поворота плоскости качаний увеличивается и на самом полюсе достигает . Значит, плоскость качаний маятника на полюсе поворачивается относительно Земли с той же скоростью, что и Земля относительно системы отсчета Солнце - звезды, но в обратном направлении. Следовательно, плоскость качаний маятника неизменна в системе отсчета Солнце - звезды. Таким образом, в системе отсчета Солнце - звезды мы наблюдаем только такие ускорения груза маятника, которые сообщают ему другие тела. Это доказывает, что система отсчета Солнце - звезды является инерциальной. Одновременно это доказывает, что Земля- не инерциальная система отсчета, а система, вращающаяся относительно инерциальной с угловой скоростью .
Теперь, исходя из того, что Земля - вращающаяся система отсчета, мы можем объяснить движение маятника Фуко и с точки зрения земного наблюдателя. Так как траектория груза маятника криволинейна, то на него должны действовать силы, перпендикулярные к траектории. Кривизна траектории направлена то в одну, то в другую сторону в зависимости от того, куда движется маятник, вперед или назад. Значит, сила должна менять направление на противоположное при перемене направления движения груза. Эта сила - сила инерции Кориолиса. Действительно, как мы видели в предыдущем параграфе, она направлена перпендикулярно к скорости движущегося тела и при перемене направления движения (качание вперед и назад) направление ее меняется на обратное. Под действием силы Кориолиса траектория груза и оказывается «звездочкой», показанной на рисунке.
Кроме опыта с маятником Фуко, на Земле наблюдаются еще и другие явления, также связанные с силой Кориолиса. На тела, движущиеся в северном полушарии с юга на север, действует сила Кориолиса, направленная на восток, т. е. вправо от направления движения, а на тела, движущиеся с севера на юг,- сила Кориолиса, направленная на запад, т. е. снова вправо от направления движения. Такая сила действует, например, на воду в реках, текущих в северном полушарии. Под действием этой силы вода в реках подмывает правый берег, который поэтому бывает более крутым и обрывистым, чем левый берег. Эту закономерность называют законом Бэра по имени обратившего на нее внимание русского ученого Карла Максимовича Бэра (1792- 1876). По той же причине правые рельсы двухпутных железных дорог на каждой колее изнашиваются немного сильнее левых. В южном полушарии, наоборот, более круты левые берега и быстрее изнашиваются левые рельсы.
Силой Кориолиса объясняется также то, что ветры на Земле образуют огромные вихри - циклоны и антициклоны. Более подробно об этом сказано в § 312.
Что, что Земля действительно вращается вокруг своей оси, можно доказать разными способами.
Когда учёные точно измерили Землю, оказалось, что она имеет не совсем правильную форму шара, а слегка сплюснута с двух противоположных сторон - у своих полюсов. Это открытие, однако, совсем не было неожиданным, так как ещё значительно раньше великий английский математик Ньютон доказал с помощью расчётов, что благодаря своему вращению Земля обязательно должна быть сплюснутой. Объясняется это действием на Землю так называемой центробежной силы.
Вы знаете, что если привязать камень к концу верёвки и, взяв верёвку за другой конец, начать её быстро вращать вместе с камнем, верёвка сильно натянется, а иногда может и разорваться. Это объясняется действием на камень центробежной силы, возникшей при его вращении. Кусочки грязи, прилипшие к колесу телеги, при вращении колеса далеко отбрасываются под действием той же центробежной силы.
Наш земной шар из-за своего вращения тоже подвергается действию центробежной силы. Правда, скорость вращения Земли не настолько велика, чтобы центробежная сила могла разорвать Землю на части. Но всё-таки, как показывают расчёты, внешний вид Земли под действием этой силы должен несколько измениться: Земля должна потерять правильную форму шара, а именно, несколько растянуться поперёк оси своего вращения и одновременно сжаться вдоль этой оси.
Рис. 4. Ось вращения земного шара проходит через северный и южный полюсы Земли
На рис. 4 изображена Земля, ось вращения которой проведена сверху вниз. Эта ось, как мы знаем, проходит через земные полюсы - северный и южный. Оба полюса неподвижны, все же остальные места земной поверхности вращаются с тем большей скоростью, чем дальше они отстоят от полюсов. Всего быстрее движутся места, расположенные на так называемом экваторе - круге, находящемся как раз посредине между двух полюсов и делящем Землю на два полушария: северное и южное. Места на экваторе за одну минуту перемещаются приблизительно на 30 километров. Вот именно вдоль по экватору земной шар и растянут под действием центробежной силы и сжат в то же время у полюсов.
Когда размеры Земли были точно измерены, то оказалось, что поперечник экватора на 43 километра длиннее расстояния между северным и южным полюсами Земли. Это, конечно, очень мало, и при правильном изображении Земли на рисунке, на глаз её сплюснутость незаметна. Но это вполне подтвердило правильность расчётов Ньютона о сплюснутости Земли, которые он сделал, исходя из вращения Земли вокруг оси.
Кстати, знаете ли вы, что случится, если предположить, что произойдёт невероятное событие - Земля перестанет вращаться вокруг своей оси? Центробежная сила тогда на Земле исчезнет, и вода океанов, которая при вращении Земли поддерживается этой силой на выпуклости земного экватора, стечёт к полюсам. Случись так, на Земле осталось бы только два океана: северный полярный и южный полярный, и вся промежуточная область превратилась бы в один огромный материк, опоясывающий Землю кругом.
Есть ещё несколько доказательств вращения Земли. Из них наиболее наглядное было дано около ста лет тому назад французским физиком Фуко.
В одном из высоких парижских зданий, внутренняя высота которого почти достигает 70 метров, Фуко на длинной проволоке подвесил груз весом около 30 килограммов. Получился прибор, который носит название маятника. Но этот маятник несколько отличался от всем известного маятника стенных часов. Дело в том, что маятник стенных часов может качаться только в одном направлении, а маятник, устроенный Фуко, мог качаться в разных направлениях, так как груз здесь был подвешен на проволоке.
Наукой установлено, что каждый маятник, такой ли большой, как его соорудил Фуко, или маленький, состоящий из короткой нити и небольшого груза, стремится качаться всё время в одном направлении, в том самом, в котором его первоначально толкнули. Маятник сохраняет это направление и в том случае, если подставку, на которой он подвешен, начать вращать в ту или другую сторону.
Фуко понял, что, пользуясь этим свойством маятника, можно обнаружить вращение Земли. Ведь потолок того здания, в котором Фуко подвесил свой маятник, да и всё здание в целом участвуют во вращении Земли, сам же маятник, после того как его раскачают, будет сопротивляться этому вращению и стремиться качаться в прежнем направлении. Значит, как только здание, в котором качается маятник, повернётся из-за вращения Земли на значительный угол, маятник должен изменить направление своего качания относительно здания.
Когда Фуко в 1851 году впервые поставил свой опыт, его расчёты блестяще подтвердились: спустя несколько минут после того как маятник заставили качаться, все присутствующие заметили, что направление качания маятника стало изменяться. Сомнений не было - это был результат вращения Земли.
Почему Фуко, ставя свой опыт, воспользовался маятником таких больших размеров? Во-первых, потому, что чем больше маятник, тем легче можно заметить изменение направления его качания. Во-вторых, большой маятник может качаться сравнительно долго, в то время как маленький маятник быстро перестанет качаться, главным образом потому, что на нём сильно сказывается тормозящее действие сопротивления воздуха.
Опыт Фуко повторялся много раз в различных местах Земли, и во всех случаях те, кто его ставили, своими глазами убеждались в существовании вращения Земли.
В 1931 году, то есть через 80 лет после Фуко, его опыт был поставлен в Ленинграде в бывшем Исаакиевском соборе в ещё больших размерах. Длина проволоки маятника была 98 метров, вес груза - 60 килограммов. На одно своё полное колебание этот огромный маятник тратил 20 секунд. И уже после трёх-четырёх таких колебаний большинство присутствующих (а их было около 7000 человек) смогло заметить, что маятник несколько изменил направление своего качания в сторону, противоположную вращению Земли.
Сентябрь в нашей стране традиционно считается самым «учебным» месяцем – именно в это время во всех школах, училищах, вузах и иных учебных заведениях отмечается начало нового учебного года. Наверное, у многих из нас в душе при виде нарядных детишек с букетами в руках, спешащих в школу, пробуждаются приятные воспоминания о школьных годах, хотя они уже и далеко позади. «Школьные годы чудесные», как пелось в известной песне – для многих из нас это было время первых успехов, первых открытий об окружающем мире, время обретения первых друзей и даже первой любви.
О необходимости и пользе получения образования не стоит даже говорить: в настоящее время роль и значение образования стоят так высоко, как никогда раньше. Жизнь усложняется, наука и технический прогресс идут вперед, так что человеку очень сложно будет ориентироваться в жизни, если он не получит хорошего образования в детстве.
Ислам и знания
Если подходить к этому вопросу с религиозной точки зрения, то, как известно, мусульманская религия всегда высоко ставила и разум, и образование. В Коране Всевышний много раз призывает людей посмотреть на устройство окружающего мира, и таким образом познать своего Творца. Люди могут прийти к убеждению в существовании и могуществе Бога именно с помощью разума и размышлений:
«Он покорил вам ночь и день, солнце и луну. Звезды также покорны по Его воле. Воистину, в этом - знамения для людей разумеющих» (16, 12).
«Неужели равны те, которые знают, и те, которые не знают? Воистину, внемлют наставлениям только обладающие разумом» (39, 9).
«Аллах возвышает по степеням тех из вас, кто уверовал, и тех, кому даровано знание» (58, 11).
Если же человек чего-то не знает, ему следует обращаться к ученым, к тем, кто обладает бОльшими знаниями:
«Спросите же обладателей знания, если сами вы не знаете» (16:43).
Также в Коране Всевышний наставляет людей обращаться к Нему с просьбой об умножении знаний:
«И говори: "Господи! Приумножь мои знания"» (20, 114).
Посланник Всевышнего (мир ему и благословения) говорил верующим о том, что «Стремление к знаниям – обязанность каждого мусульманина и каждой мусульманки» . (Табрани, Байхаки и другие). Знания же, по его словам, верующим людям следовало получать непрерывно – от колыбели до могилы.
Даже после смерти знания, которые человек помогал распространять, будут приносить ему награду от Всевышнего: «После того, как человек умирает, все его дела прекращаются, кроме трех: непрерывной милостыни, знания, которыми пользуются люди, и праведных детей, которые обращаются к Аллаху с мольбами за него».
Как мы видим, религиозная вера вовсе не противоречит разуму и знаниям, как иногда пытаются уверять нас люди неверующие. Это мнение на протяжении истории многократно опровергалось вкладом в науку, который совершали именно люди религиозные. И мусульманские ученые не были тут исключением.
Вклад мусульманских ученых в науку
Достаточно вспомнить одного из «столпов медицины» - мусульманского ученого Абу Али Ибн Сину, «Аль-Канун» считалась основой медицины не только в исламском мире, но и в Европе - эта книга в течение 600 лет служила учебным пособием в европейских университетах.
Исламские медики выявили существование микробов, впервые описали такие заболевания как ветряная оспа и туберкулез. Первая больница была также открыта в мусульманском государстве – в 707 году во время правления халифа Валида ибн Абдулмалика из династии Омейядов.
Мусульманские ученые достигли высоких успехов и в области математики. Основоположник алгебры Аль-Хорезми (780–850) впервые использовал цифру ноль. Он написал первую книгу по алгебре под названием «Аль-Джабр ва аль-Мугабиля». Слово «Аль-Джабр», позаимствованное из названия книги, теперь мы знаем, как название науки алгебры, а по имени ученого (аль-Хорезми) был назван математический термин «алгоритм».
Ученый Беттани заложил основы тригонометрии, другие ученые-мусульмане внесли туда понятие о тангенсе, котангенсе и косинусе. Формулу бинома, которая приписывается Ньютону, внес в алгебру персидский поэт и ученый Омар Хайям (ум. 1123).
Астрономия - еще одна из наук, которой много занимались мусульманские ученые. Они задолго до европейцев высказали мысль о шарообразной форме Земли, а также о ее вращательном движении. Еще аль-Бируни доказал, что Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца.
В результате исследований, которые он проводил в Индии близ города Нандана, аль-Бируни смог вычислить площадь поверхности Земли. Примененный при этом метод именуется в Европе «правилом Бируни». Правитель Самарканда Улугбек (1394–1499) построил большую обсерваторию в своем городе и прославился как великий астроном своей эпохи.
В формировании географии как науки мусульмане также сыграли большую роль. Путевые записи Эвлия Челеби (1611–1682), исследовавшего разные уголки земли, а также Ибн Батуты (1304- 1369), объехавшего многие континенты и материки, являются бесценной исторической и географической сокровищницей. Много веков назад Бируни предсказал существование Америки. Мусульманам еще 850 лет тому назад удалось составить географическую карту мира, близкую к современным картам.
И это только самый короткий список – для полного перечисления всех научных достижений исламских ученых понадобится целая книга ().
К сожалению, прошли века, и мусульманский мир по разным, - внешним и внутренним – причинам впал в некий застой, и открытия об окружающем мире было суждено продолжать уже ученым-европейцам. Забывая об этих заслугах мусульманских ученых, многие немусульмане незаслуженно упрекают мусульманский мир в невежестве и отсталости, хотя вышеперечисленными открытиями научный мир пользуется до сих пор.
Иногда сами мусульмане способствуют такого рода обвинениям в невежестве, считая светскую науку делом, не заслуживающим внимания, которым должны заниматься люди неверующие. Удел людей религиозных, по их мнению, - заниматься только богословием и связанным с ним науками. Но как мы показали выше, передовые люди среди мусульман никогда так не считали, что подтверждается их бесценным вкладом в сокровищницу мировых знаний.
Вместе с прочими российскими школьниками и студентами в сентябре сели за парты и ребята-мусульмане. Мы желаем им успехов в учебе, но при этом хотим напомнить о том, что в школе или институте – как и в любом другом месте – люди верующие должны быть образцом высокой морали и примером для всех окружающих.
В частности, для верующего человека недопустимо относиться к учебе без должного усердия – болтать во время занятий с приятелем вместо того, чтобы внимательно слушать преподавателя, а дома лениться и плохо выполнять домашние задания. Одним из отличительных качеств мусульман является честность, так что списывать у товарища во время контрольной работы или экзамена, или пользоваться шпаргалкой совершенно недопустимо.
Можно обмануть учителя, но нельзя обмануть Всевышнего, Который видит нас в любое время и не будет доволен теми людьми, которые лгут и хитрят. Тем более, выдавать чужие знания за свои, не только грешно, но и просто глупо – у кого вы будете списывать, когда придет время на практике применять полученные знания (к примеру, при устройстве на работу)?
Мусульманская община сейчас, как никогда, нуждается в хороших специалистах своего дела, всесторонне образованных людях. Мы надеемся, что вы не подведете ее ожиданий и станете достойными продолжателями дела великих ученых прошлого.
Анна (Муслима) Кобулова