Amatérská prohlídka oblohy - Co má společného Foucaultovo kyvadlo s počasím?

Myslím, že to asi všichni znáte. Určitě ze školy a pokud ne, tak by měl váš učitel fyziky vrátit diplom ;-). Foucaultovo kyvadlo je totiž jedním ze stěžejních důkazů toho, že se planeta Země otáčí.

Pro učence středověku bylo velmi obtížné přesvědčit především církev o nových poznatcích. Vzpomeňme na Galilea, který pozoroval pohyb Jupiterových měsíců. Někteří církevní hodnostáři té doby byly tak zatvrzelí, že odmítali byť jen pohlédnout do Galileiho dalekohledu a prohlašovali jej za dílo ďábla. Koneckonců víme, jak Galilei dopadl... Proto se hledaly cesty, které by přinesly jasný a pádný důkaz a vyvrátily zkostnatělé myšlenky církve.

Mezi takové průkopníky můžeme zařadit i francouzského fyzika J. B. Leona Foucaulta (1819 – 1868). Narodil se v rodině francouzského vydavatele. Otec chtěl, aby studoval medicínu, ale mladý Leon brzy "zběhl" k fyzice a k Pařížské observatoři. Byl to všestraný badatel, zabýval se astronomií a optikou. Jeho vylepšení Newtony optické soustavy, kdy odrazné plochy zrcadel dalekohledu pokryl vrstvou stříbra, přineslo zvýšení dosahu astronomických dalekohledů. Společně s Fizeauem přispěl k poznatku, že světlo se šíří ve vodě pomaleji než ve vzduchu, podíleli se na výrobě prvních obloukových lamp a v roce 1845 pořídili první kvalitní fotografii Slunce pomocí daguerotypie. Vynalezl také gyroskop, který své uplatnění nachází i dnes při stabilizaci kosmických sond a družic.

Jean Bernard León Foucault. Zdroj: internet

Nesmrtelnost mu však zaručil až pokus, který provedl v roce 1851. Z jeho výpočtů pro kyvadlo vyplývalo, že by se měla měnit rovina kyvu. Potřeboval to vyzkoušet. Požádal proto ředitele Pařížské hvězdárny Francoise Araga, významného astronoma té doby, zda by mohl provést svůj pokus v některé z místností hvězdárny. Ten souhlasil a vyčlenil pro tento pokus celou Jižní halu observatoře. Pokus byl úspěšný, Země se za 24 hodin pod kyvadlem otočila o přibližně 270 stupňů, což bylo v souladu s výpočty. Proto byl pokus přesunut do nejslavnější budovy Paříže, Pantheónu, kde jej měli možnost pozorovat všichni. Na 67 metrů dlouhém laně bylo připevněno závaží o hmotnosti 28 kg a toto kyvadlo s dobou kmitu asi 16 sekund se houpalo zavěšeno v kopuli budovy. Kyvadlo se kývalo několik hodin a lidé stojící okolo viděli, jak se měnila rovinu kyvu. Na konci závaží byl totiž hrot, který v písku na podlaze vykresloval při každém kyvu čáru.

Příčinu tohoto jevu Foucault objasnil pomocí tehdy nedávného poznatku francouzského fyzika Gustava Gasparda Coriolise o setrvačné síle (dnes jí říkáme Coriolisova síla), která vzniká v otáčivé soustavě z hlediska pozorovatele s ní spojeného a která z pohledu pozorovatele spojeného s rotující soustavou způsobuje postupné odchylování roviny kyvu kyvadla od původního směru. Vzhledem k soustavě spojené například s hvězdami k odchylce roviny kyvu nedochází - kyvadlo vzhledem k tomuto prostoru kývá ve stále stejné rovině. Úhel, o který se Země pootočí, můžeme snadno vypočítat podle tohoto vztahu:

úhel = 360° x sin delta,

kde delta představuje zeměpisnou šířku místa.
Pokud se chcete podívat, jak se rovina kyvu mění, můžete se podívat na stránky California Academy of Sciences.

Ale zpět k otázce v nadpisu. Povrch rotující Země tvoří rotující vztažnou soustavu a jakákoliv hmota, pohybující se ve směru poledníků, je na severní polokouli odkláněna doprava, na jižní polokouli pak doleva. Zjevné je to např. na řekách. Na severní polokouli je více vymletý pravý břeh, na jižní je to naopak levý břeh. Snad nejlépe je to viditelné na obrázcích z meteorologických družic. Na nich vidíme, jak se frontální oblačnost tvaruje do spirál, které se zatáčejí podle působení Coriolisovy síly. Atmosféra Země je velmi složitý "organismus". Jestliže se v jednom místě začne vytvářet oblast s nízkým tlakem (cyklóna), v jiném se vytvoří oblast s vysokým tlakem (anticyklóna). V oblasti vysokého tlaku (v tlakové výši) dochází k tomu, že nahromaděný vzduch klesá svou váhou dolů k povrchu, kde se rozbíhá do všech stran. Coriolisova síla však nutí masy vzduchu pohybovat se podle jejího působení a proto se vzduch začne otáčet doprava. U tlakové níže to funguje obráceně: částice vzduchu v tomto tlakovém poli se v konečném silovém působení pohybují po zakřivené trajektorii směrem do středu níže, takže na snímcích z družic to vypadá, že se cyklóna stáčí proti směru hodiných ručiček. Protože oblačnost se vyskytuje povětšinou u tlakových níží, otáčení anticyklón můžeme zaznamenat jen na synoptických mapách.

Cyklóny i anticyklóny jsou nedílnou součástí našeho klimatu. Ovlivňují naše počasí i naše životy. Cyklóny jsou většinou nositelkami špatného počasí, anticyklóny s sebou přinášejí jasné, slunečné počasí. Nejhorším typem cyklóny je hurikán popř. tornádo (viz např. tento článek) s totálně destruktivními účinky.
A tak se tedy dostáváme k samotnému jádru pudla. Oním spojovacím článkem mezi Foucaultovým kyvadlem a počasím je, jak jste se už určitě dovtípili, Coriolisova síla. Foucaultovo kyvadlo dalo jasný důkaz rotace Země a dnes jej můžeme najít na mnoha místech po celém světě. Samozřejmě i u nás jsou kyvadla. Jedno z nich by se mělo nacházet budově ČVUT na Karlově náměstí. Tvoří ho 34 kg těžké závaží, zavěšené na 21 metrů dlouhém vlákně. Druhé kyvadlo, o kterém vím, je bezpečně starší než to pražské a nachází se v rotundě ukryté v Květné zahradě v Kroměříži. Rotunda pochází ze 17. století a právě v jejím vrchlíku se nachází závěs, ve kterém je uložena tenká struna na jejímž konci se houpá 33 kg těžké kulové závaží s hrotem. O instalaci tohoto zařízení se postaral v 19. století prof. Nábělek. Kyvadlo bylo během války ukryto a poté opět uvedeno do provozu. Bohužel v době mé návštěvy v červenci letošního roku byla rotunda v rekonstrukci, proto jsem se nemohl podívat z bezprostřední blízkosti. Ale úpravy si jistě zaslouží, je opravdu nádherná, stejně jako zahrada, ve které se nachází. A když vám ještě vyjde na dovolenou krásné počasí vytvořené tlakovou výší, co víc si můžete přát? Snad jen, aby Coriolisova síla byla vždy s vámi...:-)

Všechny snímky pořídil autor.
Za cenné rady děkuji RNDr. Petru Skřehotovi.


© APO 2002-2008, veškeré materiály lze přebírat pouze se svolením autora a uvedením patřičné citace. Děkujeme. Tyto stránky provozuje občanské sdružení Amatérská prohlídka oblohy.