Foucault'sches Pendel zum Nachweis der Erdrotation

http://www.foucaultpendel.de

Aus astronomischen Beobachtungen hatten die Sternengucker schon lange geschlossen,

daß sich die Erde täglich einmal um ihre eigene Achse dreht.

Da im Weltraum keine Experimente machbar waren, fehlte es lange Zeit an einem wissenschaftlichen

Nachweis der Erdrotation. 

Im Jahre 1851 gelang dies dem französischen Physiker Jean Bernard Léon Foucault (1819-68).

Er baute im Pariser Pantheon ein langes Fadenpendel mit einer großen Pendelmasse und machte

damit die Erdrotation anschaulich.

Die Eigenschaft aller Pendel besteht darin, dass sie ihre Schwingungsebene beibehalten;

auch dann wenn ihre Aufhängung rotiert.

Bei einem kontinuierlich schwingenden Pendel beobachtet der Erdenbürger nach einiger

Zeit (eine Stunde und länger) eine gemächliche Drehung der Pendelebene.

An den Erdpolen ist die Drehung sehr deutlich ausgeprägt (ein Vollkreis pro Tag), während sie

am Äquator gänzlich verschwindet.

Hier findet sich eine sehr hilfreiche Animation:  Foucault-Pendel.html .

Das nachfolgende Video verdeutlicht die beiden Standorte (innerhalb - außerhalb der Drehung)

und die unterschiedlichen Perspektiven der Rotationen.

                             Eine zu niedrige Übertragungsrate mag zu stotternder Bildfolge führen.

Beim Bau eines Foucault'schen Pendels müssen zwei Dinge beachtet werden:

erstens ist durch einen geeigneten Antrieb Vorkehrung gegen die Dämpfung der Schwingung

durch Energieverluste, insbesondere der Luftreibung, zu treffen;

zweitens gilt es, Querschwingungen zu vereiteln, die zu elliptischen Schlingerbewegungen

des Pendels führen und das Ergebnis völlig ruinieren können.

Zur ersten Maßnahme eignet sich ein elektromagnetischer Antrieb, bei dem ein Magnet unterhalb

der Kugel während des Überstreichens einer Spule am Boden kurzzeitig durch einen Magnetstoß

angeschoben wird.

Die zweite Störung behebt man sehr elegant durch einen Charron-Ring. Diese Idee wurde

erst 1931 (also 80 Jahre nach den Experimenten des Léon Foucault) von Herrn Charron erdacht.

Im Verlaufe der Pendelumkehr (A - B) liegt infolge des Reibungsdruckes der Faden bewegungslos am Charron Ring an; und zwar für die  Flugdauer der Kugel über den Winkel Alpha.  Bei jeder Schwingung werden seitliche Schlingerbewegungen ausgebremst und die Kugel pendelt in einer Ebene.

Charron Ring in Aktion

  Pendel in Aktion

Elektronik zum Magnetantrieb des Pendels

Der Hall-Sensor ist in der Spulenmitte montiert. Die Pendelkugel schwingt mit dem unten

 anhängenden Magneten (magnetische Flußdichte von ca. 1 Tesla, das Erdmagnetfeld

hat ca. 30-50 µTesla) darüber, schaltet und startet den Monoflop (NE 555 - Schaltung)

 durch die "Erdung" (Übergang von 12 auf 0 Volt) an Eingang 2.

Der Ausgang 3 wechselt auf 12 Volt, versorgt die linke LED mit Strom und öffnet über den Elko

 von 4,7 µF kurzzeitig den Darlington-Treiber (TPI 141).

Es resultiert ein Stromstoß durch die Luftspule, wodurch sie ein Magnetfeld aufbaut

und bei richtiger Polung den Magneten mit Kugel abstößt.

Während dieser Phase leuchtet die rechte LED kurzzeitig auf.

Der Hall-Sensor gerät dabei zweimal in ein Magnetfeld (zunächst Kugelmagnet dann erregte Luftspule).

Wenn nach Aufladung des 4,7-Elko (nach ca. 150 Millisekunden) der Stromstoß beendet ist,

dann fällt die Magnetisierung ab, und der Hall-Sensor geht in den Ruhezustand über.

 Der Monoflop schaltet nach ca. 300 Millisekunden ab (die linke LED erlischt)

und entlädt den 4,7-Kondensator.

Seine Kapazität ist so gewählt, daß der Erregerzyklus wesentlich kürzer ist als die halbe

Schwingungsdauer des Pendels.

Beim nächsten Pendeldurchgang beginnt die magnetische Anregung von Neuem.

   die fertige Platine, mit Einfachklick zu öffnen