การเคลื่อนที่แบบคาบ

Q:     ที่ Hansen Planetarium ใน Salt Lake City, UT, USA มีลูกตุ้มนาฬิกายักษ์ซึ่งรักษาเวลาโดยการแกว่งอยู่เหนือหมุดที่ติดอยู่รอบๆวงกลม ลูกตุ้มนาฬิกานี้เป็นแบบใดและทำงานอย่างไร?

A:     ผลงานนี้เรียกว่า  "The Foucault Pendulum"สามารถพบได้ตามพิพิธภัณฑ์ทั่วโลก ลักษณะของ Foucault Pendulum เป็นเส้นเชือกที่ยาวมาก ที่ปลายด้านล่างผูกติดกับมวลลูกตุ้ม ลูกตุ้มนาฬิกาจะเคลื่อนที่แกว่งไปมา ส่วนด้านล่างจะมีแผ่นหน้าปัดจานกลมวางอยู่บนพื้น โดยที่รอบๆแผ่นจานกลมจะมีหมุดขนาดใหญ่ฝังตัวอยู่โดยรอบ เมื่อลูกตุ้มนาฬิกาแกว่งพบว่าลูกตุ้มจะแกว่งอยู่เหนือหมุด 2 ตัวที่อยู่ตรงข้ามกัน จากการสังเกตด้วยสายตาของผู้เข้าชม ส่วนใหญ่จะคิดว่าระนาบการแกว่งของลูกตุ้มจะคงที่อยู่เหนือหมุด 2  ตัวเดิมตลอด แต่ปรากฎว่าระนาบของหน้าปัดจานกลมจะมีการหมุนไปรอบๆ เนื่องจากว่าโลกนั้นหมุนรอบตัวเอง ทำให้มีระนาบของการแกว่งเปลี่ยนไปอยู่เหนือหมุดคู่อื่น ทุกๆ 24 ชั่วโมง เมื่อโลกหมุนครบรอบ  Foucault Pendulum จะหมุนจนมาอยู่เหนือหมุดคู่เดิม  

เยี่ยมชม  Hansen Planetarium

ความรู้เพิ่มเติมเรื่อง  The Foucault Pendulum

" คุณเคยเห็นโลกหมุนรอบตัวเองใหมครับ ?" หลายคนคงจะนึกขำถ้าถูกคนถามด้วยคำถามนี้ หลายๆคนก็ทราบกันดีอยู่แล้วว่าโลกหมุนรอบตัวเอง ทำให้เกิดเป็นกลางวันและกลางคืน ความรู้นี้ย้อนกลับไปได้หลายร้อยปีถึงสมัยของ โคเปอร์นิคัส  โน้นแน่ะ คงจำกันได้ว่านักปราชญ์ท่านนี้เป็นคนแรกที่บอกว่า โลกมิได้เป็นศูนย์กลางของจักรวาล ดวงอาทิตย์ไม่ได้หมุนรอบโลก และ โลกต่างหากที่หมุนวนรอบดวงอาทิตย์ทุกๆ ปี   ยิ่งในปัจจุบันนี้มนุษย์สามารถออกไปนอกอวกาศ นั่งดูโลกหมุนรอบตัวเองได้ คำถามข้างบนก็ดูจะเป็นคำถามที่ไม่น่าถามเอาเสียเลย

แต่... ถ้าเราไม่ออกไปนอกโลกล่ะ เราจะทราบได้อย่างไรว่าโลกหมุนรอบตัวเอง ไม่ใช่ดวงอาทิตย์หมุนรอบโลก?

เป็นเวลานานทีเดียว กว่าที่นักดาราศาสตร์จะใช้ปรากฎการณ์ทางท้องฟ้า มาพิสูจน์คำพูดของ โคเปอร์นิคัสได้  ซึ่งต้องอาศัยความรู้ทางดาราศาสตร์พอสมควร ถึงจะเข้าใจ แล้วสำหรับเราๆ ท่านๆ ที่ถนัดแต่ดูดาวเพื่อความโรแมนติกล่ะ มีวิธีอื่นอีกใหมที่จะเห็นโลกหมุนรอบตัวเองได้ ...

ในปี ค.ศ. 1851 ที่วิหาร์พาเธนอนในกรุงปารีสประเทศฝรั่งเศส นักฟิสิกส์ และนักดาราศาสตร์  โฟวเคาลท์ (Foucault) ได้ทำการทดลองแสดงการหมุนของโลกให้ประชาชนใด้เห็นกันจะๆ

    สำหรับ Jean Bernard Leon Foucault  นั้นเกิดเมือววันที่ 18 สิงหาคม ค.ศ. 1819 แรกเริ่มเดิมทีนั้นอยากเป็นแพทย์ จึงได้สอบเข้าเรียนในคณะแพทย์ศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยปารีส แต่ด้วยดวงชะตาที่จะต้องมาเป็นนักวิทยาศาสตร์ Foucault ได้พบว่าตัวเองนั้นมีอาการของโรค Phobia หรือโรคกลัวเลือด เห็นเลือดไม่ได้ เลยต้องลาออกจากการเป็นนักเรียนแพทย์ แล้วหันมาศึกษาวิทยาศาสตร์แทน เขามีผลงานหลายด้านที่เด่นๆ ได้แก่ เป็นผู้ประดิษฐ์ ไจโรสโคป (gyroscope) และ เป็นผู้ที่ทำการทดลองวัดความเร็วของแสงได้อีกด้วย เขาได้ดัดแปลงการทดลองของเพื่อนร่วมงานคือ Armand Fizeau   โดยสามารถทำการวัดค่าอัตราเร็วของแสงได้เท่ากับ  186,000 ไมล์ต่อชั่วโมง  แต่สำหรับผลงานของเขาที่เราจะพูดถึงกันในตอนนี้ก็คือ การทดลองที่ชื่อว่า Foucault's pendulum ...

    เรื่องมีอยู่ว่าในขณะที่ Foucault กำลังประยุกต์นำลูกตุ้มมาใช้จับเวลาในการศีกษาดาราศาสตร์ เขาได้เกิดความคิดที่จะประยุกต์การแกว่งของลูกตุ้มเพื่อพิสูจน์การหมุนรอบตัวเองของโลก โดยใช้กฎของนิวตันที่ว่าระนาบการแกว่งของลูกตุ้มนั้นจะคงที่เสมอ ดังนั้นถ้าเราวางลูกต้มให้แกว่งอยู่ที่ขั้วโลก เนื่องจากว่าโลกหมุนรอบตัวเอง คนบนพื้นโลกก็จะเห็นระนาบการแกว่งของลูกตุ้มเปลี่ยนตำแหน่งไปเรื่อยๆ และจะกลับมายังตำแหน่งเดิมทุกๆ 24 ชั่วโมง

    ทั้งที่ความจริงแล้วระนาบการแกว่งของลูกตุ้มนั้นไม่ได้เปลี่ยนแปลง แต่เนื่องจากว่าโลกนั้นหมุนรอบตัวเอง จึงทำให้ผู้สังเกตุซึ่งอยู่บนโลกเห็นไปเช่นนั้น ( คล้ายๆกับเราเห็นดวงอาทิตย์หมุนรอบโลก ) อัตราการเปลี่ยนแปลงระนาบของการแกว่งของลูกต้มที่ตำแหน่งต่างๆ ของโลกนั้นไม่เท่ากัน นั้นขึ้นอยู่กับค่าละติจูด (latitude)

   โดยสามารถคำนวณได้จากสูตร  :           

T = 24/sin (theta) 
    เมื่อ T  คือคาบเวลาที่ระนาบการแกว่ง จะวนมายังตำแหน่งเดิม หน่วยเป็นชั่วโมง และ theta  คือค่าละติจูดของตำแหน่งที่อยู่ จะเห็นว่าที่ขั้วโลกเหนือนั้น ระนาบการแกว่งจะเปลี่ยนแปลง และวนกลับมายังตำแหน่งเดิมในเวลา 24 ชั่วโมง (ขั้วโลกมี ละติจูดเท่ากับ 90 องศาเหนือ  และ sin 90 เท่ากับ 1) ในขณะที่บริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรนั้น ระนาบการแกว่งจะไม่เปลี่ยนเลย (เช่นถ้าทำการทดลอง ในประเทศไทยก็แทบจะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงเลย ว้า...) 

    การทดลองนี้ได้ตั้งชื่อว่า Foucault's pendulum เพื่อเป็นเกียรติ์แก่ Foucault นั้นเอง  จะว่าไปแล้วการทดลองนี้ไม่ใช่เป็นการค้นพบใหม่ เพรานักดาราศาสตร์ได้พิสูจน์การหมุนของโลก ด้วยการสังเกตุดวงดาวบนท้องฟ้าได้ก่อนหน้านั้นแล้ว แต่การทดลองของ Foucault นั้นง่ายแก่การเข้าใจ และสามารถทดลองให้เห็นได้ง่าย ดังที่เขาได้ทดลองให้ประชาชนได้ชมในปี ค.ศ. 1851 นั่นเอง 

จาก http://www.vcharkarn.com/