לאון פוקו והמטוטלת שחשפה את סיבוב כדור הארץ

לאון פוקו, פיזיקאי צרפתי מהמאה ה-19, טבע את חותמו על תולדות המדע עם הניסוי המהפכני שהדגים את סיבוב כדור הארץ. לכבודו בכל שנה מציינים ב-8 בינואר את יום סיבוב כדור הארץ. כדור הארץ סובב על צירו עובדה המוכרת לכולנו, אבל אם השם לאון פוקו פחות מוכר לכם אתם מוזמנים לצלול איתנו ולגלות מדען מוכשר ופיזיקאי גאון, שהצליח להוכיח לכל העולם מהו סיבוב כדור הארץ.

לאון פוקו זכור בעיקר כמדען שהוכיח, בעזרת מטוטלת, שכדור הארץ מסתובב על צירו.

הוא היה פיזיקאי צרפתי ונחשב כמבצע הניסויים המגוונים ביותר במאה ה-19. פוקו ערך בין היתר ניסויים באופטיקה ובמכניקה והיה מעורב בפיתוח שיטה המדויקת ביותר למדידת מהירות האור.

הכירו את לאון פוקו

ז'אן-ברנארד-לאון פוקו (Jean-Bernard-Léon Foucault) נולד בפריז בשנת 1819. בגיל צעיר אימו שכרה מורים פרטיים עבורו והוא למד בעיקר בבית. אימו רצתה שיהיה רופא ושלחה אותו ללימודי רפואה, אך ללאון היה קשה לראות דם והבין שרפואה היא לא בשבילו. ללאון פוקו היה כישרון מכני הוא אהב לבנות ולהרכיב מכשירים ודגמים אפילו מסובכים. לפוקו היו "ידי זהב" הוא בנה בילדותו העתק של טלגרף שראה בתחנה ליד ביתו, כמו כן הוא בנה מנוע קיטור שממש הצליח לעבוד. ללאון היה כישרון מולד ייחודי. לאחר שעזב את לימודי הרפואה הוא התחיל לעבוד כעוזר מעבדה אצל פרופסור אלפרד פרנסואה דונה. שם החל להתנסות בניסויים בתחום הפיזיקה והאופטיקה. הפרופסור זיהה את כשרונו של העוזר הצעיר וטיפח אותם. פוקו הוקסם מתחום האופטיקה המיקרוסקופיה ותחום הצילום שהחל להתפתח באותה תקופה. 

פוקו פגש בשנת 1839 את הפיזיקאי הצרפתי ארמנד היפוליט פיזו (Armand Hippolyte Fizeau) (הגייה: ארמן) והשניים עבדו בשיתוף פעולה הדוק במשך כמעט עשור. יחד הם צילמו את התמונות המפורטות הראשונות של פני השמש ופיתחו דרך מדויקת יותר למדוד את מהירות האור. במשך השנים פוקו תרם תרומה גדולה למדעי הפיזיקה והאסטרונומיה בין היתר הוא הוכיח, שמהירות האור באוויר גדולה יותר מאשר במים. הוא גם פיתח שיטה למדידת עקמומיות מראות טלסקופ, יצר טכניקה משופרת למראות אסטרונומיות כסופות, שיטה לבדיקת מראות טלסקופ לאיתור פגמים בפני השטח, והמציא מנסרה מקטבת לכוון ולתפעול אור מקוטב.

הוכחת סיבוב כדור הארץ הניסוי שהפך את לאון פוקו למפורסם

ביריד העולמי בשנת 1851 בפריז, פוקו כבש את הקהל בניסוי פשוט אך מעמיק. ביומנו כתב לאון שהרעיון פשוט הבזיק פתאום במוחו באמצע הלילה. הוא חשב שאם יצליח ליצור מטוטלת שתלויה מתקרה גבוהה מאוד כך שתהיה חופשיה לנוע לכל כיוון נוכל לראות את האפקט של סיבוב כדור הארץ בתנועת המטוטלת. פוקו ביסס את הוכחתו על חוק ניוטון, הקובע כי כאשר גוף נמצא בתנועה, הוא ימשיך בתנועתו בקו ישר, כל עוד הוא אינו מושפע מכוחות חיצוניים. לאחר שפוקו נחל הצלחה בניסוי שביצע במרתף ביתו, הוא יצא לאתגר הגדול והדגים את הניסוי בהופעה ראשונה ביריד העולמי של 1851 בפנתיאון בפריז. הוא תלה כדור ברזל גדול במשקל 28 ק"ג מצופה פליז מכיפת הפנתיאון באמצעות חוט פלדה שאורכו 67 מטרים, הוא הראה שלמרות שנראה שהמטוטלת שינתה את מסלולה במהלך היום, למעשה הרצפה היא זו, שהסתובבה מתחת למטוטלת. כך הוא הוכיח שכדור הארץ מסתובב.

מטוטלת פוקו בפנתאון פריז, צרפת

"מטוטלת פוקו" מאפשרת להציג את סיבוב כדור הארץ מבחינה ויזואלית.

בהמשך לניסוי זה פוקו המציא את מכשיר הג'ירוסקופ בעזרתו המשיך את הוכחת סיבוב כדור הארץ.

על ניסויים אלו זכה פוקו בפרס מדליית קופלי בשנת 1855.

הג'ירוסקופ של לאון פוקו

מטוטלת פוקו בפעולה

כאשר מטוטלת פוקו מופעלת, היא נעה קדימה ואחורה לאורך מישור קבוע. לפי חוקי ניוטון המטוטלת תמשיך לנוע בקו ישר הלוך וחזור כל עוד לא יופעל עליה כוח אחר. עם זאת, ככל שהזמן מתקדם, מתרחשת טרנספורמציה מרתקת. מישור נדנדת המטוטלת מסתובב בהדרגה, ומשלים מעגל שלם בערך כל 24 שעות, זמן השלמת הסיבוב של המטוטלת משתנה לפי מיקום המטוטלת בכדור הארץ. למשל, בניסוי של פוקו המטוטלת בפריז השלימה מעגל שלם כל 32 שעות. בקטבים המטוטלת משלימה סיבוב כל 24 שעות.

תנועת המטוטלת בהילוך מהיר מראה כיצד סיבוב כדור הארץ נראה כסיבוב של המטוטלת

בעוד מטוטלת פוקו מתנדנדת קדימה ואחורה במישור, כדור הארץ מסתובב מתחתיה, כך שקיימת תנועה יחסית ביניהם. מבחינת המטוטלת היא לא משנה את המיקום שלה בכלל, מבחינתה היא ממשיכה קדימה ואחורה. אבל בזווית הראייה שלנו היא שינתה את מיקומה במרחב עם כיוון השעון. אם נביט מהתקרה למטה נראה את הרצפה מסתובבת. בניסוי של פוקו, המטוטלת התחילה לנוע בתנועה הרמונית, כלומר היא עברה קדימה ואחורה באותו מסלול. עם זאת, לאחר זמן מה, מישור תנועת המטוטלת התחיל להסתובב לאט לאט. הסיבה לכך היא כוח קוריוליס, כוח מדומה, כלומר הוא לא כוח אמיתי, אלא מושג פיזיקלי שנוצר כתוצאה מהימצאותנו במערכת מסתובבת.

במהלך היום מישור התנועה של המטוטלת זז, תנודת המטוטלת מפילה בכל פעם מוט אחד עד השלמת סיבוב שלם וכל המוטות שכובים

במקרה של ניסוי המטוטלת, כדור הארץ הוא המערכת המסתובבת. כוח קוריוליס גורם למישור תנועת המטוטלת (הרצפה), שהיא חלק מהמערכת המסתובבת, להסתובב לאט לאט, בכיוון ההפוך לסיבוב כדור הארץ. למעשה הרצפה היא זו שנעה מתחת למטוטלת ולא המטוטלת עצמה. כמו בסרט מצויר שבו הדמות נשארת במקום והרקע מאחור נע. כך נוצרת האשליה של הדמות הולכת ומתקדמת כשהיא למעשה אינה זזה.

איך זה קורה?

בקוטב הצפוני, קו רוחב 90° N, התנועה היחסית כפי שהיא נראית מלמעלה מהתקרה מעל המטוטלת היא סיבוב נגד כיוון סיבוב כדור הארץ, זאת אומרת בכיוון השעון אחת ל-24 שעות בערך. מטוטלת פוקו תמיד מסתובבת בכיוון השעון בחצי הכדור הצפוני בקצב שנעשה איטי יותר ככל שמיקום המטוטלת מתקרב לקו המשווה. המטוטלת המקורית של פוקו בפריז הסתובבה בכיוון השעון בקצב של כ-32 שעות לכל סיבוב מלא. קצב הסיבוב תלוי בקו הרוחב. בקו המשווה, קו רוחב 0°, מטוטלת פוקו אינה מסתובבת. בחצי הכדור הדרומי, הסיבוב הוא נגד כיוון השעון.

השלכות מדעיות להוכחת מטוטלת פוקו

הגילוי המרכזי של הניסוי של פוקו היה ההוכחה, שכדור הארץ מסתובב על צירו. תנודות המטוטלת סיפקו ראיות מוחשיות לכך שכדור הארץ נמצא כל הזמן בתנועה סביב צירו. הניסוי הדגיש את הרעיון של סיבוב כדור הארץ ללא תלות בתצפיות בכוכבים או בתנועה של השמש במהלך היום.

להבנת סיבוב כדור הארץ יש השלכות עמוקות על דיסציפלינות מדעיות שונות ועל חיי היומיום שלנו. הידע שנרכש מהניסוי של פוקו הניח את הבסיס להתקדמות באסטרונומיה, גיאופיזיקה ואפילו ניווט.

1. אסטרונומיה:

הניסוי סיפק הדגמה מוחשית של סיבוב כדור הארץ, וסייע לאסטרונומים בתצפיות ובחישובים שלהם.

הוא תרם להבנת תופעות שמימיות, כולל התנועה הנראית לעין של כוכבים וקבוצות כוכבים.

 2. גיאופיזיקה:

עבודתו של פוקו סללה את הדרך לחקירה נוספת אל פנים כדור הארץ והתהליכים הדינמיים שלו.

חקר הסיבוב של כדור הארץ עוזר למדענים להבין תופעות כמו ציר הנקיפה של מישור כדור הארץ.

3. ניווט:

כלי ניווט, כולל גירוסקופ ומערכות ניווט אינרציאליות, מסתמכים על העקרונות שהובאו בניסוי של פוקו.

הבנת סיבוב כדור הארץ מסייעת בניווט מדויק ויש לה יישומים מעשיים בתעופה וחקר החלל.

הצטרפו לקבוצת הוואצאפ שלנו לילדים סקרנים וקבלו תכנים בלעדיים וניסויים שימשיכו לעורר בכם את הסקרנות

רוצה להצטרף

יום סיבוב כדור הארץ

כדור הארץ, "הבית השמימי" שלנו, הוא יצירת מופת דינאמית של תנועה מתמדת. בלב התנועה המתמדת הזו נמצאת תופעת סיבוב כדור הארץ, שמעצבת את חוויותינו היומיומיות של שקיעות וזריחות. יום הסיבוב של כדור הארץ, חגיגה של הספין המרתק של כדור הארץ.חגיגות יום הסיבוב של כדור הארץ מקורם כאמור בניסוי המשמעותי של לאון פוקו ביריד העולמי בשנת 1851 כאשר הפיזיקאי הצרפתי כבש את הקהל בתצוגה פורצת דרך.

לכבוד לאון פוקו והמטוטלת של פוקו

מטוטלת פוקו הפכה לסמל של סיבוב דינמי של כדור הארץ. כשהמטוטלת מתנדנדת, מישור התנועה שלה מסתובב בהדרגה ביחס לכדור הארץ שמתחתיו, ומציג את התנועה המתמדת של כוכב הלכת. המכשיר הפשוט הזה חשף את השינויים העדינים במהירות הסיבוב של כדור הארץ, גילוי שהניח את הבסיס להבנתנו את מהירות סיבוב כדור הארץ בקווי רוחב שונים.

סיכום

הניסוי הגאוני של לאון פוקו שינה מהותית את התפיסה שלנו לגבי מקומו של כדור הארץ בקוסמוס. המטוטלת שלו לא רק הדגימה חזותית את סיבוב כדור הארץ, אלא גם פתחה אפיקים חדשים לחקר מדעי. כאשר אנו חוגגים את יום הסיבוב של כדור הארץ, אנו חייבים תודה לפוקו על חשיפת הריקוד השמימי (התנועה המתמדת) שמעצב את עולמנו ומעשיר את הבנתנו את היקום.

אוהבים ניסויים ? נסו את ערכות הניסויים לילדים של שיגעון המדעים

לחנות מדע

אהבתם את הניסוי?! שתפו!