Опыт Леона Фуко

За неинерциальной системой отсчета совсем не обя­зательно отправляться в космос. Не требуется никаких межзвездных кастрюль и «летающих тарелок». Можно остаться на Земле, пойти в городской сад и покататься на «колесе смеха» — горизонтальном скользком вра­щающемся диске. Вы на себе почувствуете неинерциальность системы отсчета, связанной с диском,— очень быстро окажетесь отброшенным прочь от центра вра­щения.

Можно поехать в Ленинград и посетить Исаакиевский собор. Там ясно видно, что и система отсчета, свя­занная с Землей, тоже неинерциальна.

Дорого бы дал Галилей за идею опыта, поставлен­ного в 1851 году французским физиком Леоном Фуко. На протяжении нескольких минут этот опыт просто и наглядно доказывал то, что великий итальянец стре­мился доказать всю жизнь — вращение земного шара. Теперь знаменитый эксперимент Фуко постоянно демон­стрируется в Исаакиевском соборе.

На длинном (98 метров) подвесе раскачивается мас­сивный шар. В каждом качании он летит из края в край обширного помещения над полом, расчерченным четки­ми прямыми линиями. Маятник Фуко — вроде копья, которое мы с вами швыряли в космосе. Разгоняется он, правда, земным тяготением, но благодаря инерции со­храняет плоскость своих колебаний. Земля же, медленно поворачиваясь, сдвигает из-под нее пол собора. Летя­щий шар чуть-чуть сворачивает от прямых линий, на­черченных на полу. Через две-три минуты накапли­вается весьма заметное отклонение.

Простейший вывод: Земля вертится.

Более тонкий вывод: система отсчета, связанная с земным шаром, неинерциальна.

Но справедливы ли в этом случае уравнения меха­ники? Можно ли применить формулу второго закона? Действуют ли на маятник Фуко (или лучше все-таки на наше «космическое копье» — дабы не мешало притя­жение Земли) какие-то силы?

Да. Пусть второй закон торжествует: раз есть уско­рения, значит, есть и силы. Эти силы, под влиянием ко­торых наше копье «само» ускоряется, тормозится, сво­рачивает вбок в неинерциальной системе отсчета, при­нято называть силами инерции.

С такой точки зрения на колесе смеха вы оказались во власти центробежной силы инерции. Она-то и согна­ла вас с диска. А маятник Фуко был подвержен силе инерции Кориолиса (по имени физика, который ее впер­вые изучил). Она действует на тела, движущиеся во вра­щающейся системе отсчета. Благодаря ей маятник Фуко и смещает в такой системе плоскость своих качаний.

Конечно, вы можете покинуть вращающуюся Землю и рассматривать качания маятника Фуко в какой-то невращающейся, инерциальной системе отсчета (для ма­лых промежутков времени в качестве ее опоры годится хотя бы Луна). Тогда вы вправе заявить, что смещения пола собора вызваны никакими не силами, а именно вращением земного шара. Однако этот бесспорный факт не делает силы инерции фиктивными, что иногда неосто­рожно говорят. Коль уж явление разыгрывается в не­инерциальной системе отсчета, силы инерции присутст­вуют обязательно и бывают порой очень эффективны — скажем, рвут на части быстро вращающийся маховик.

Видите: «пассивное непослушание», каким выгляде­ло свойство инерции в инерциальной системе отсчета, для неинерциальной обернулось активным действием.

И еще. Обратите, пожалуйста, внимание на сущест­венную деталь: силы инерции в равной мере ускоряют тела разной массы. Когда над дном нашей вращаю­щейся и ускоряющейся «космической кастрюли» летят рядом свободно брошенные ядро и пуля, пути их и скорости меняются относительно кастрюли совершен­но одинаково. При взгляде извне это ничуть не удиви­тельно. Ведь кастрюля-то одна, она вращается или ускоряется одинаково и для ядра, и для пули. Все же подмеченный сейчас факт очень многозначителен. В нем раскрывается некое (пока чисто формальное) сходство между инерцией и тяготением (тяжесть столь же «рав­нодушна» к массам тел, когда сообщает им ускорение). Придет время, об этом сходстве мы поговорим по­больше и поподробнее.