Foucault-Pendel mit Antriebsspule
Wie zeigt man, dass sich die Erde um ihre Achse dreht – und nicht Sonne, Mond und Sterne die Erde täglich umkreisen? Natürlich mit einem Foucault-Pendel!
Ein spärisches Pendel, das auf der Erdoberfläche in Schwingungen versetzt wird, behält seine Schwingungsebene relativ zu den Fixsternen bei. Währenddessen dreht sich die Erde unter ihm – einmal in 24 Stunden um ihre Achse. Von der Erdoberfläche aus gesehen, dreht sich die Schwingungsebene des Pendels, allerdings nicht um 360 Grad pro Tag, sondern um einen Winkel, der von der geografischen Breite des Pendelortes abhängt. Für eine geografische Breite von 51 Grad nördlich beträgt dieser Winkel 11,7 Grad pro Stunde, wobei die Drehung im Uhrzeigersinn erfolgt.
Die Herleitung der Formel für den Drehwinkel der Schwingungsebene eines Foucault-Pendels ist eine kleine Übung in Newtonscher Mechanik für rotierende Systeme.
Foucault-Pendel großer Länge (10 bis 20 Meter) findet man zum Beispiel in naturwissenschaftlichen Museen. Für den Hobbyraum eignen sich Pendel mit Längen von 2 Metern oder weniger. Ein solch kurzes Pendel muss im Takt der Schwingung angestoßen werden, um sich über längere Zeit mit ausreichender Amplitude zu bewegen. Außerdem muss man dafür sorgen, dass das Pendel (aufgrund kleiner, immer vorhandener Unsymmetrien) nicht in eine elliptische Bahn gerät – denn die ist auch mit einer Rotation der Schwingungsebene (Präzession) verbunden und täuscht so eine Foucault-Bewegung vor. Diese Präzessionsgeschwindigkeit ist proportional zum Flächeninhalt der Bahnellipse. (Herleitung der Formel für die Präzessions-Winkelgeschwindigkeit ).
Mein Selbstbau-Pendel hat eine Länge von 1,70 Metern. Die Messung ergab, dass sich seine Schwingungsebene um 11,4 Grad/Stunde dreht – mit einer Unsicherheit von ± 0,8 Grad/Stunde. Details später.