Con lắc Foucault chứng minh Trái Đất quay như thế nào

Con lắc Foucault là một quả nặng treo bằng sợi dây rất dài, cho dao động tự do; sau vài giờ, mặt phẳng dao động của nó xoay dần so với mặt đất. Thật ra con lắc vẫn giữ mặt phẳng dao động cố định theo quán tính — chính mặt đất bên dưới đang xoay. Năm 1851, Léon Foucault treo một con lắc như vậy dưới mái vòm điện Panthéon ở Paris, lần đầu tiên cho công chúng tận mắt thấy Trái Đất quay mà không cần nhìn lên trời. Ở Paris, mặt phẳng dao động xoay khoảng 11 độ mỗi giờ; ở Hà Nội, chậm hơn nhiều, khoảng 5,4 độ mỗi giờ.

Thí nghiệm năm 1851

Léon Foucault (1819–1868) là nhà vật lý Pháp tự học, nổi tiếng với các phép đo tốc độ ánh sáng. Đầu năm 1851, ông thử nghiệm con lắc dài 2 m ở hầm nhà mình, rồi 11 m ở Đài thiên văn Paris. Ngày 3 tháng 2 năm 1851, ông gửi thư mời các nhà khoa học: "Hãy tới xem Trái Đất quay".

Tháng 3 năm 1851, theo yêu cầu của Louis-Napoléon Bonaparte (khi đó là tổng thống), con lắc lớn được dựng trong điện Panthéon: quả cầu đồng nặng khoảng 28 kg, treo bằng dây thép dài khoảng 67 m từ mái vòm. Dưới quả cầu có một mũi nhọn, và trên sàn rải một vòng cát ẩm. Mỗi lần đi qua, mũi nhọn vạch một đường trên cát. Sau mỗi lượt dao động (chu kỳ khoảng 16 giây), đường vạch mới lệch nhẹ khỏi đường cũ, dần dần quét thành hình cánh quạt. Khán giả đông nghịt kéo tới xem.

Con lắc Foucault ngày nay vẫn còn được treo ở Panthéon (bản sao), và có mặt ở rất nhiều bảo tàng khoa học, trường đại học trên thế giới.

Vì sao mặt phẳng dao động "xoay"

Ở cực Bắc: dễ hình dung nhất

Hãy tưởng tượng con lắc treo ngay trên cực Bắc. Con lắc chỉ chịu trọng lực (hướng xuống) và lực căng dây (hướng lên). Không có lực nào đẩy nó xoay mặt phẳng dao động. Theo quán tính, mặt phẳng dao động giữ nguyên hướng so với các vì sao xa.

Trong khi đó, Trái Đất bên dưới quay một vòng mỗi ngày sao (khoảng 23 giờ 56 phút). Người đứng trên mặt đất sẽ thấy mặt phẳng dao động xoay tròn đúng một vòng trong khoảng thời gian ấy, theo chiều ngược với chiều quay của Trái Đất — tức theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống ở Bắc bán cầu.

Ở xích đạo: không xoay

Ở xích đạo, mặt đất không "xoay quanh" phương thẳng đứng tại chỗ — nó chỉ bị mang đi theo vòng tròn. Mặt phẳng dao động không đổi hướng so với mặt đất. Con lắc Foucault ở xích đạo không cho thấy gì.

Ở vĩ độ trung gian: một phần

Ở vĩ độ φ, tốc độ xoay của mặt phẳng dao động bằng tốc độ quay của Trái Đất nhân với sin φ. Thời gian để xoay đủ một vòng là:

T = (23 giờ 56 phút) / sin φ

Con lắc Foucault ở các thành phố

Ở Nam bán cầu, mặt phẳng dao động xoay theo chiều ngược lại. Ở Việt Nam, đặc biệt các tỉnh phía Nam, con lắc Foucault xoay rất chậm, khó quan sát trong một buổi tham quan.

Vì sao con lắc phải rất dài và nặng

• Dài: chu kỳ dao động dài (khoảng 16 giây với dây 67 m), mỗi lần đi qua dịch một đoạn nhỏ, dễ quan sát. Dây dài cũng giảm ảnh hưởng của những sai lệch nhỏ ở điểm treo.
• Nặng: quả nặng có quán tính lớn, ít bị ảnh hưởng bởi luồng không khí, dao động được lâu trước khi tắt dần.
• Điểm treo tự do: dây phải được treo sao cho không bị xoắn hay ép vào một hướng ưu tiên. Con lắc ngắn, treo kém dễ dao động thành hình elip, tự xoay theo hướng sai, che mất hiệu ứng thật.
• Thả nhẹ: Foucault buộc quả nặng sang một bên bằng sợi chỉ rồi đốt sợi chỉ để thả, tránh mọi cú đẩy ngang. Ngày nay nhiều con lắc trong bảo tàng có thêm cuộn điện từ ở điểm treo để bù năng lượng, giữ cho con lắc dao động mãi.

Ý nghĩa lịch sử

Vào năm 1851, không nhà khoa học nào còn nghi ngờ Trái Đất quay — điều ấy đã được chấp nhận rộng rãi từ thời Copernicus, Galileo, Newton, và đã có các bằng chứng như quang sai ánh sao. Nhưng đó đều là bằng chứng thiên văn, cần quan sát bầu trời và tính toán. Con lắc Foucault là lần đầu tiên sự quay của Trái Đất được chứng minh bằng một thí nghiệm trên mặt đất, mà ai đứng xem cũng thấy được. Đó là lý do nó gây chấn động.

Một năm sau, năm 1852, Foucault làm thêm thí nghiệm với con quay hồi chuyển để thấy sự quay của Trái Đất theo cách khác (bài về con quay hồi chuyển).

Góc nhìn hôm nay: tự làm con lắc Foucault mini

Một con lắc Foucault thật cần trần nhà cao và điều kiện khắt khe. Nhưng có thể làm thí nghiệm mô phỏng để hiểu nguyên lý:

1. Đặt một chiếc ghế xoay hoặc đĩa xoay (loại bàn xoay để bánh kem) trên sàn.
2. Dựng một khung (như chân giá phơi đồ) đặt trên đĩa xoay, treo một quả nặng nhỏ bằng sợi chỉ từ khung.
3. Cho con lắc dao động theo một hướng, rồi từ từ xoay đĩa.
4. Quan sát: con lắc vẫn dao động theo hướng cũ so với căn phòng, trong khi khung và đĩa xoay bên dưới. Nhìn từ trên đĩa, hướng dao động như đang xoay.

Đĩa xoay là "Trái Đất ở cực Bắc", căn phòng là "các vì sao xa". Nhiều bảo tàng khoa học lớn ở châu Á, như ở Tokyo, Singapore, Bắc Kinh, có con lắc Foucault thật; Panthéon ở Paris vẫn treo bản sao để du khách xem.