1.1 Доказательства осевого вращения

Земная ось - воображаемая прямая, вокруг которой происходит суточное вращение Земли. Земная ось проходит через центр Земли и пересекает земную поверхность в географических полюсах; наклонена к плоскости эклиптики под углом 66.5 град (рис. 1)

Рис: 1 Наклон земной оси по отношению к плоскости эклиптики (плоскости орбиты Земли).

Суточное вращение Земли происходит вокруг своей оси с периодом в одни звездные сутки, непосредственно наблюдаемым проявлением чего является суточное вращение небесной сферы. Вращение Земли происходит с запада на восток. При наблюдении с Полярной звезды или северного полюса эклиптики, вращение Земли происходит против часовой стрелки.

Поскольку любое движение является относительным, необходимо указывать конкретную систему отсчета, относительно которой изучается движение того или иного тела. Когда говорят, что Земля вращается вокруг оси, имеется в виду, что она совершает вращательное движение относительно любой инерциальной системы отсчёта, причем период этого вращения равен звездным суткам - периоду полного оборота небесной сферы относительно Земли.[3]

Все экспериментальные доказательства вращения Земли вокруг оси сводятся к доказательству того, что система отсчета, связанная с Землей, является неинерциальной системой отсчета специального вида - системой отсчета, совершающей вращательное движение относительно инерциальных систем отсчёта.

В отличие от инерциального движения (то есть равномерного прямолинейного движения относительно инерциальных систем отсчета), для обнаружения неинерциального движения замкнутой лаборатории не обязательно производить наблюдения над внешними телами, - такое движение обнаруживается с помощью локальных экспериментов (то есть экспериментов, произведенных внутри этой лаборатории). В этом (именно в этом!) смысле слова неинерциальное движение, включая вращение Земли вокруг оси, может быть названо абсолютным (рис.2)

Рис: 2 Центробежная сила на вращающейся Земле.

В неинерциальных системах отсчёта второй закон Ньютона записывается следующим образом:

F + F_in = ma,

где m - масса тела, a - его ускорение относительно данной системы отсчета, F - реально действующая на тело сила, вызванная взаимодействием между телами, и F_in - сила инерции, связанная с математическим преобразованием от инерциальной к неинерциальной системы отсчета.

В равномерно вращающихся системах отсчета действуют две силы инерции: центробежная сила F_pr (рис. 2)и сила Кориолиса F_cor (рис 3). Следовательно, утверждения «Земля вращается вокруг своей оси» и «В системе отсчета, связанной с Землёй, действуют центробежная сила и сила Кориолиса» являются эквивалентными высказываниями, выраженными разными способами. Поэтому экспериментальные доказательства вращения Земли сводятся к доказательству существования в связанной с ней системе отсчета этих двух сил инерции.

Рис3: Направление силы Кориолиса на вращающейся Земле.

Центробежная сила, действующая на тело массы m, по модулю равна

F_pr = mщ²r,

где щ - угловая скорость вращения и r - расстояние от оси вращения. Вектор этой силы лежит в плоскости оси вращения и направлен перпендикулярно от неё. Величина силы Кориолиса, действующей на частицу, движущуюся со скоростью относительно данной вращающейся системы отсчета, определяется выражением

,

где б - угол между векторами скорости частицы и угловой скорости системы отсчета. Вектор этой силы направлен перпендикулярно обоим векторам и вправо от скорости тела (определяется по правилу буравчика).[6]

Зависимость ускорения свободного падения от географической широты: Эксперименты показывают, что ускорение свободного падения зависит от географической широты: чем ближе к полюсу, тем оно больше. Это объясняется действием центробежной силы. Во-первых, точки земной поверхности, расположенные на более высоких широтах, ближе к оси вращения и, следовательно, при приближении к полюсу расстояние r от оси вращения уменьшается, доходя до нуля на полюсе. Во-вторых, с увеличением широты угол между вектором центробежной силы и плоскостью горизонта уменьшается, что приводит к уменьшению вертикальной компоненты центробежной силы.

Это явление было открыто в 1672 году, когда французский астроном Жан Рише, находясь в экспедиции в Африке, обнаружил, что у экватора маятниковые часы идут медленнее, чем в Париже. Ньютон вскоре объяснил это тем, что период колебаний маятника обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения, которое уменьшается на экваторе из-за действия центробежной силы.[5]

Эффекты силы Кориолиса: лабораторные эксперименты

Маятник Фуко (рис 4). Эксперимент, наглядно демонстрирующий вращение Земли, поставил в 1851 году французский физик Леон Фуко. Его смысл заключается в том, что плоскость колебаний математического маятника неизменна относительно инерциальной системы отсчета, в данном случае относительно неподвижных звезд. Таким образом, в системе отсчета, связанной с Землей, плоскость колебаний маятника должна поворачиваться. С точки зрения неинерциальной системы отсчета, связанной с Землёй, плоскость колебаний маятника Фуко поворачивается под действием силы Кориолиса.

Рис 4: Маятник Фуко

Наиболее отчетливо этот эффект должен быть выражен на полюсах, где период полного поворота плоскости маятника равен периоду вращения Земли вокруг оси (звёздным суткам). В общем случае, период обратно пропорционален синусу географической широты, на экваторе плоскость колебаний маятника неизменна.

Существует ряд других опытов с маятниками, используемых для доказательства вращения Земли. Например, в опыте Браве (1851 г.) использовался конический маятник. Вращение Земли доказывалось тем, что периоды колебаний по и против часовой стрелки различались, поскольку сила Кориолиса в этих двух случаях имела разный знак. В 1853 г. Гаусс предложил использовать не математический маятник, как у Фуко, а физический, что позволило бы уменьшить размеры экспериментальной установки и увеличить точность эксперимента. Эту идею реализовал Камерлинг-Оннес в 1879 г.

Гироскоп - вращающееся тело со значительным моментом инерции сохраняет момент импульса, если нет сильных возмущений. Фуко, которому надоело объяснять, что происходит с маятником Фуко не на полюсе, разработал другую демонстрацию: подвешенный гироскоп сохранял ориентацию, а значит медленно поворачивался относительно наблюдателя.

Опыты, использующие закон сохранения момент импульса: Некоторые эксперименты основаны на законе сохранения момента импульса: в инерциальной системе отсчёта величина момента импульса (равная произведению момента инерции на угловую скорость вращения) под действием внутренних сил не меняется. Если в некоторый начальный момент времени установка неподвижна относительно Земли, то скорость её вращения относительно инерциальной системы отсчета равна угловой скорости вращения Земли. Если изменить момент инерции системы, то должна измениться угловая скорость её вращения, то есть начнётся вращение относительно Земли. В неинерциальной системе отсчёта, связанной с Землёй, вращение возникает в результате действия силы Кориолиса. Эта идея была предложена французским учёным Луи Пуансо в 1851 г.

Первый такой эксперимент был поставлен Хагеном в 1910 г.: два груза на гладкой перекладине были установлены неподвижно относительно поверхности Земли. Затем расстояние между грузами было уменьшено. В результате установка пришла во вращение. Ещё более наглядный опыт поставил немецкий учёный Ханс Букка (Hans Bucka) в 1949 г. Стержень длиной примерно 1,5 метра был установлен перпендикулярно прямоугольной рамке. Первоначально стержень был горизонтален, установка была неподвижной относительно Земли. Затем стержень был приведен в вертикальное положение, что привело к изменения момента инерции установке примерно в 10⁴ раз и её быстрому вращению с угловой скоростью, в 10⁴ раз превышающей скорость вращения Земли.

Оптические эксперименты

В основе ряда опытов, демонстрирующих вращение Земли, используется эффект Саньяка: если кольцевой интерферометр совершает вращательное движение, то вследствие релятивистских эффектов полосы смещаются на угол

,

где A - площадь кольца, c - скорость света, щ - угловая скорость вращения. Для демонстрации вращения Земли этот эффект был использован американским физиком Майкельсоном в серии экспериментов, поставленных в 1923-1925 гг. В современных экспериментах, использующих эффект Саньяка, вращение Земли необходимо учитывать для калибровки кольцевых интерферометров.[2]