2.2.2. A Foucault-inga

Készítsünk egy hosszú (3-10 m-es), a lehetőség szerint súrlódásmentesen (csillapodás nélkül) lengő fonalingát, és figyeljük lengését néhány órán keresztül! A tapasztalat szerint az inga lengési síkja a Földhöz képest elfordul.
    Ahhoz, hogy az inga gyakorlatilag csillapodásmentesen, hosszú ideig lengjen, az szükséges, hogy a veszteségek az inga energiájához képest elhanyagolhatók legyenek. Emiatt célszerű nagy tömegű (több kilogrammos) ingatestet használni, s a felfüggesztésnél fellépő súrlódást minimálisra (kell) csökkenteni. A súrlódásmentesség mellett kulcsfontosságú az is, hogy a felfüggesztésnél ne lépjenek fel olyan forgatónyomatékok, amelyek az inga síkját elfordítják. A VII.4. ábra a fenti feltételeknek legjobban megfelelő, ún. Cardano-féle felfüggesztést mutatja. Látható, hogy a két egymásra merőleges ék az inga tetszőleges irányú mozgását lehetővé teszi, ugyanakkor a kis felületen érintkező ékek súrlódási energiavesztesége is csekély.

    Az inga lengési síkjának elfordulása sokféleképpen regisztrálható. Egy viszonylag egyszerű és demonstratív megoldás a következő. Szereljünk az ingatest aljára hosszú acéltüskét, és állítsunk fel az inga lengési síkjára merőleges egyenes mentén egymástól 1-2 cm távolságban magas, könnyen boruló bábukat (VII.5. ábra) úgy, hogy a bábuk fölé érő inga tüskéje éppen a bábuk tetejét érje! A lengési síkját lassan változtató inga a bábukat sorban feldönti.
    A jelenség ily módon történő bemutatásához azonban hosszú idő szükséges, mert a feldőlő bábuk segítségével az inga lengési síkjának csak viszonylag nagyobb elfordulása észlelhető. Az inga lengési síkjának már csekély elfordulása is megfigyelhetővé, sőt mérhetővé tehető a VII.6. ábrán látható kísérleti elrendezéssel. Világítsuk meg az ingafonalat képező acélhuzalt egy, tőle 1-2 m távolságban elhelyezett lézerrel! Fogjuk fel a huzal elhajlási képét egy, az ingától 2-3 m távolságban lévő, a lézernyalábra merőleges ernyőn! Helyezzünk ezután a lézer és az inga közé egy nagy

rácsállandójú optikai rácsot [d ť (1-2).0,001cm] úgy, hogy a nyugalmi állapotban függő inga fonala éppen a rács elhajlási képének nulladrendű maximumát takarja! Térítsük ki és kössük ki az ingát úgy, hogy fonala továbbra is a nulladrendű maximumot takarja el (VII.6. ábra)! Indítsuk el az ingát! Az eredetileg a nulladrendű maximumot kijelölő fénysugár egyenesében lengő inga árnyéka egyre kijjebb eső maximumokkal is fedésbe kerül. Ez mutatja, hogy az inga lengési síkja elfordul.
    A kísérletből egyszerűen meghatározhatjuk a lengési sík elfordulásának szögsebességét is. Mérjük le az optikai rács és a függőlegesen lógó, ill. kikötött ingafonal l és l* távolságát! (l-et célszerű 40-50 cm-nek választani.) Mérjük meg továbbá (stopperrel), hogy az indítástól vagy az elsőrendű maximum metszésétől mennyi idő alatt jut az inga az m-edrendű maximumot takaró helyzetbe! A VII.7. ábra alapján látható, hogy az inga lengési síkjának elfordulási

szöge az m-edik elhajlási maximum a* távolságából, valamint az l, r és l* távolságokkal a TRP és TOM háromszögek hasonlóságának felhasználásával a
tga = a/r
a/l = a*/l*
egyenletekből kifejezhető:
tga (a*l)/(rl*).
Az inga lengési síkjának szögsebessége ebből:
w = am/tm.
    A mérés kiértékelésekor érdemes figyelembe venni azt, hogy az indítást követő első lengések a leggondosabb indítás esetén is kissé zavartak. Emiatt a mérést célszerűbb az elsőrendű maximumtól kezdeni. Az inga csillapodása is hibaforrás lehet, hiszen a csillapodás miatt l fokozatosan nő, r pedig csökken. Emiatt a mérésből meghatározott w kissé nagyobb lesz a valóságosnál.

Megjegyzések
    - A kísérlet során ügyeljünk arra, hogy az ingatestnek nem szabad forognia! Célszerű ezért a kísérletet már a bemutatást megelőző napon beállítani, és megvárni, míg a felfüggesztő szál torziós rezgései teljesen megszűnnek. Amikor az inga megállt, húzzuk oldalra anélkül, hogy közben elfordítanánk, majd ebben a kilendített helyzetben kössük ki egy vékony zsineggel! Ilyen előkészítés után az inga a rögzítő zsineg elégetésével indítható.
    - A Cardano-féle felfüggesztés helyett - tanórai kísérlethez - megfelelő felfüggesztés készíthető a VII.8. ábrán látható kampókból. Az egyik kampó a mennyezetbe csavarozható, és alja homorúra van kiképezve~ Erre akasztható a fonalingát tartó csúcsosra esztergált végű másik kampó.

    - A kísérlet a Föld forgásának kimutatására szolgál; először Foucault végezte el 1851-ben a párizsi Pantheonban egy 67 m hosszú, 28 kg tömegű ingával. A Foucault-kísérlet szép és meggyőző bemutatásához legalább 3,5-4 m hosszú inga szükséges. Amennyiben ilyen magas előadóterem nincs az iskolában, akkor érdemes a kísérletet a lépcsőházban beállítani. Ingatestnek a sportszerként használt súlygolyót ajánljuk, melyen zsákfuratot készítünk, és ebbe menetet vágunk. Az ingát felfüggesztő acélhuzal a furatba csavarral rögzíthető.
    - A kísérlet eredménye mind nyugvó, mind pedig a Földhöz rögzített koordináta-rendszerből egyszerűen magyarázható. Nyugvó rendszerben az inga lengési síkja nem változik, s az észlelt elfordulás a Föld forgásának a következménye. Az elfordulás szögsebessége tehát a földrajzi helyzettől függően változik, és mindig a Föld szögsebességének az adott helyen vett w0 = w.cosa függőleges komponensével egyezik meg  (VII.9. ábra). Budapesten az inga síkja kb.7,5 fok/óra szögsebességgel fordul el.

    -A Földhöz rögzített koordináta-rendszerből nézve az inga lengési síkjának elfordulása a Coriolis-erő következménye.