Fizikai Szemle borítólap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2006/10. 350.o.

GYORSAN BEMUTATHATÓ FOUCAULT-INGA KÍSÉRLET

Gyarmati Csaba
Radnóti Miklós Gimnázium, Dunakeszi

A Foucault-ingás kísérletet még a kísérletező hajlamú fizikatanárok sem szokták szívesen és gyakran mutogatni. A kísérlet "hagyományos" bemutatásánál hosszú (legalább 10 m), nagytömegű ingát szokás használni, amely lengési síkjának elfordulása során az útjába helyezett kis bábukat felborítja, vagy az ingára szerelt tű a talajra szórt homokba vonalakat karcol. A hosszú, nagytömegű ingára a kis csillapítás végett van szükség, mert az inga lengési síkjának még kis elfordulásához is elég sokat kell várni, és eközben a lengések amplitúdója nem csökkenhet számottevően. Ezért aztán a kísérlet akárhol, például egy normál osztályteremben, be sem mutatható. (Viszont vitathatatlan bája van egy nagy ingával bemutatott kísérletnek.)

1. ábra

Ha sikerül olyan módszert találni az inga lengési síkja elfordulásának kimutatására, amellyel már egészen parányi elfordulást is érzékelhetővé lehet tenni, akkor nincs szükség a hosszú, kis csillapítású ingára, egy "közönséges" plafonról lelógó inga is megteszi. Erről lesz szó az alábbiakban.

2. ábra

A lengési sík elfordulását egy hengerlencsével szétterített lézernyalábbal is ki tudjuk mutatni. Erre alkalmas eszköz, amelynek még a hengerlencse is tartozéka, lézeres vízszintező néven néhány ezer forintért kapható a barkácsboltokban. (Mellesleg az eszközt jól használhatjuk az optikai kísérleteknél is.) Ez a szétterített lézernyaláb meghatároz egy síkot. Úgy kell beállítani a lézert és az ingát, hogy az inga kezdeti lengési síkja egybeessen a lézernyaláb síkjával. A beállítást az 1. ábra szemlélteti.

3. ábra

A lézer fénye a falon függőleges szakasznak látszik. Úgy kell beállítani a lézert, hogy a lézercsík a nyugalomban lévő inga közepén haladjon át, valamint a falnál lévő kampót is megvilágítsa. Ezt úgy lehet egyszerűen elérni, hogy a falnál lévő kampót egy deszkába fúrjuk, és a deszkát úgy mozgatjuk (támasztjuk a falnak), hogy a lézerfény csíkja a kampón menjen át. (Ezt a kampót érdemes úgy beállítani, hogy a kikötött ingatest súlypontja magasságába kerüljön.) A beállítás után az ingát kitérítjük, és a két kampót egy rövid zsinórral összekötjük. Megvárjuk, amíg az inga megnyugszik a szélső helyzetben (2. ábra). Ha szükséges, korrigálunk a deszka helyzetén, hogy a lézercsík most is az ingatest közepén haladjon át. Ha minden rendben, a zsinórt elégetjük (3. ábra). Az első lengésnél az inga úgy mozog, hogy a lézercsík az ingatest közepén halad át. Már néhány lengés után látszik, hogy a lézercsík az egyik szélső helyzetben az inga közepétől egy kicsit jobbra, a másik szélső helyzetben pedig egy kicsit balra világítja meg az ingát, vagyis az inga lengési síkja elfordult. A lézercsík 1 mm-es eltolódását már nagyon jól lehet érzékelni. Ez az inga körülbelül 0,5 m amplitúdója esetén 2/1000 radián elfordulást jelent, amire nem egészen 40 másodpercet kell csak várni. Ilyen rövid idő alatt a legegyszerűbben kivitelezett inga sem csillapodik észrevehető mértékben.

4. ábra

Néhány gyakorlati tanács

Ezt a kísérletet viszonylag igénytelen eszközökkel is gyorsan be lehet mutatni - a legtöbbet a szabadon lógó, illetve kikötött inga megnyugvására kell várni -, de ennek is megvan a buktatója. Az inga fonalát célszerű valamilyen fémhuzalból készíteni. A textilfonalakban mindig marad vagy keletkezik valamilyen csavaró feszültség, amely az ingatest forgását eredményezi. Valószínű, hogy a forgási rezgés képes csatolni az inga lengési módusait. Tény, hogy az inga hamarosan a kezdeti lengési síkjára merőleges síkban is lengésbe jön. Ez, sajnos, jól érzékelhető, és erősen rontja a kísérlet meggyőző erejét. Fémhuzalt használva különösen fontos, hogy az inga felfüggesztésénél ne legyen kitüntetett lengési irány, vagyis az inga vagy egy tű hegyén keresztül, vagy két egymásra merőleges éken keresztül támaszkodjon a plafonon lévő tartóra. Ez utóbbi (Cardano- féle) felfüggesztés viszonylag egyszerűen megoldható két darab (8-as) alátét segítségével (4. ábra). Az alátétek belső peremét egy nagyobb, például 10-es, fúróval élesre fúrjuk. (Ezek lesznek az ékek.) Mindkét alátétet sugárirányban a pereménél egy kicsit befűrészeljük, majd a fűrészelésnél a két alátétet összetoljuk, és összeragasztjuk vagy összeforrasztjuk. Így a két alátét egymásra merőleges lesz. Az egyik alátétet a plafonba csavart kampóra akasztjuk, a másikba pedig az inga huzalának végére forrasztott kampót akasztjuk. Az inga testét én egy biliárdgolyóból készítettem, az inga fonala pedig 0,8 mm átmérőjű rézhuzal volt.