MiniFoucault n° 23: технические характеристики.

Из презентации на симпозиуме «Маятник Фуко», Форт-Сент-Пер, Бретань, 4 мая 2024 года)

«И все же он вращается!»

Представленная здесь модель — это маленький маятник Фуко.

Я предпочел показать именно его, а не другой, потому что его 19 сантиметров усугубляют все трудности, которые могут возникнуть с большими маятниками. Более того, я изначально проектировал его для постоянного использования, наложив на него ограничения, которые не встречаются в других местах: длина колебаний ограничена 2 сантиметрами, что сводит к минимуму эффект Кориолиса. Это была цена, которую нам пришлось заплатить, чтобы обеспечить его долговечность. В нескольких строках ниже мы расскажем о технических аспектах маятника, тщательно избегая научных ссылок.

«Важна не только длина…»

Маятник Фуко, колебания которого поддерживаются электромагнитом, питающимся от 1,5-вольтовой батарейки, что обеспечивает три года непрерывной работы. Шасси изготовлено из гранита. Подвесной блок — токарный станок часового мастера. Проволока — гитарная струна D’Addario PL008 диаметром 0,18 мм, кольцо Charron — подшипник вала принтера, а магнит — 5 мм редкоземельный зверь. Маятник весит 1,4 килограмма и имеет амплитуду колебаний менее 1,5°. Его длина составляет 19 сантиметров, но он рассчитан на уменьшение до 15 сантиметров без использования инструментов

Задачи:

Подводя итог, можно сказать, что большой маятник с радостью перенесет ошибки в конструкции. Маятник длиной менее двух метров допускает гораздо меньше, к тому же ему требуется кольцо Шаррона, чтобы уменьшить эллиптический эффект, вызванный его малым размером. Маятник длиной менее одного метра уже не прощает ошибок. Но для маятника размером 20 сантиметров шкала задач становится логарифмической: уменьшение его длины всего на один сантиметр удваивает количество задач, которые нужно решить каждый раз. Отсюда и сдержанное очарование этой вещи..

Внутренние проблемы:

Это задача с двенадцатью неизвестными, которые все связаны между собой: стоит ошибиться с одним, и маятник никогда не покачнется. Поэтому необходимо убедиться, что все они могут быть отрегулированы по отдельности, по большей части без инструментов.

1) Жесткость подвески.

Жизненно важен во всех случаях, а в случае с отдельно стоящим маятником — это корнелианский вопрос. Для MiniFoucault достаточно одной тысячной доли миллиметра кручения шасси, чтобы навсегда испортить эксперимент. Оно измеряется с помощью циферблатного манометра.

2) Уровни.

Три регулировочных винта — идеально, четыре — неуправляемо. Это бритва Оккама для стабильности: стул с тремя ножками никогда не будет шататься. Они измеряются пузырьком.

3) Направление проволоки.

Должна быть возможность полностью повернуть ее на себя. Если маятник качается без вращения, поверните проволоку по часовой стрелке на 15 минут. Если вращения не последует, значит, истина кроется где-то в другом месте.

4) Высота проволоки.

Всегда лучше, когда ее можно регулировать. В данном случае проволока просто направляется подвеской, но не зажимается в ней. Поэтому высота регулируется, позволяя проволоке скользить по подвеске.

5) Направление подвеса.

Если маятник колеблется, но не вращается, поверните его по часовой стрелке на 15 минут. Если ничего не изменится, значит, истина все еще где-то рядом.

6) Длина маятника.

Она регулируется путем откручивания рычага, который поднимает или опускает подвес. Ее никогда не измеряют линейкой, всегда измеряют часами.

7) Высота кольца Шаррона.

Жизненно важна. Не существует абсолютного правила, определяющего его высоту, но проволока должна только ласкать его. Поэтому она зависит от амплитуды колебаний маятника. Она также регулируется путем откручивания другого рычага справа. Она измеряется на ощупь.

8) Центрирование кольца Шаррона.

Жизненно важно.

9) Центрирование и вращение электромагнита.

Жизненно важно.

10) Центрирование магнита.

Не очень важно, но так весело.

11) Высота магнита.

Не очень важно, но очень практично. Она может компенсировать любое изменение длины провода.

12) Аэродинамика.

Эта проблема коварна, потому что очень незаметна: однажды крошечная записка, приклеенная к маятнику, на неделю уничтожила эффект Кориолиса, и я ничего не понял. Немного симметрии, ради всего святого.

Внешние проблемы:

1) Держите все магнитные материалы на расстоянии 20 сантиметров от магнита движителя.

2) Держите любой немагнитный электропроводящий материал, расположенный под магнитом (медь, латунь, бронза, алюминий, серебро и т. д.), на расстоянии 20 сантиметров от него, чтобы избежать вихревых токов.

Это все. Другие внешние явления, такие как земной магнетизм, близость гор, воздушные потоки, удары и точность запуска, можно считать несущественными. Например, удар по маятнику заставит его совершить восьмерку с осью в центре: он очень быстро стабилизируется, если амплитуда больше кольца Шаррона.

Протокол настройки.

Легко потерять годы настройки (да, годы!), если не следовать правильному методу. Этот MiniFoucault одновременно переходил в эллипс, назад, останавливался, застревал и делал только то, что хотел, в течение двух месяцев, пока не были сделаны правильные настройки. Есть только одно правило, чтобы не заблудиться: каждая модификация должна быть архивируемой, обратимой и доказуемой.

Вот как это делается. На листе бумаги есть восемь колонок. В них указаны дата, время, направление стержня, направление проволоки, угол колебаний, угол любого вращения и его направление, высота кольца Харона и результат. Данные записываются два-три раза в день, пока маятник не повернется. Для грубой настройки я записываю углы в минутах для удобства. Когда придет время точной настройки, я буду делать это в градусах.

Протокол измерений.

Это простой таймлапс, охватывающий месяц, с одной фотографией с длинной выдержкой, которая автоматически делается каждый час. Съемка ведется на Raspberry под управлением Debian с программой Allsky, управляющей съемкой.

Измерения времени вращения.

Они видны на таймлапсе и охватывают весь период между 1 и 25 апреля 2024 года. Это 30 половинных оборотов в среднем за 18,4 часа или 15 полных оборотов в среднем за 36,8 часа. Таким образом, на моей широте MicroFoucault вращается на 10 % медленнее, чем должен.

Что происходит сейчас?

Этот маятник установлен в кафе Grenette в Сьоне, где он работает непрерывно.

Несколько сравнений…

Если посмотреть на список всех маятников Фуко в Википедии, то средняя длина составляет 21 метр, средний вес — 100 килограммов, а среднее время колебаний — 9 секунд.

Согласно последнему списку, в мире насчитывается 297 маятников Фуко, 10 из которых имеют длину менее 2 метров, и только 5 — менее одного метра…

MiniFoucault n°23 — самый маленький из когда-либо созданных публичных и постоянных маятников Фуко. Четыре других экспериментальных маятника длиной менее 70 см, известных на сегодняшний день, были построены следующими лабораториями:

— Х. Ричард Крейн в 1981 году (факультет физики, Энн-Харбор, штат Мичиган) с 70-сантиметровым маятником(Am.J.Phys, Vol. 49, n°11, November 1981)

— Д. Рэй Карпентер и Ричард Б. Минникс (факультет физики, Лексингтон, Вирджиния) в 1982 году с 50-сантиметровым маятником(Phys. Teach. 21, 477-478 (1983)

— Хайм Круглак и С. Стил (факультет физики, Каламазу, Мичиган) в 1984 году с 25-сантиметровым маятником(TPT, том 21, № 7, октябрь 1983 г.)

— Д.Б. Плевс (факультет биофизики, Торонто, Онтарио) в 2018 году со своим 65,4-сантиметровым маятником (Rev. Sci. Instrum. 89, 065112 June 2018)