Земля

Шар скатывался на такой плоскости достаточно медленно, чтобы не принимать во внимание сопротивление воздуха. Наблюдая медленное скатывание шара по этой наклонной плоскости, Галилей мог определить длину пути, пройденного шаром в каждую секунду. Зная же наклон плоскости, он мог вычислить расстояния, проходимые в каждую секунду и свободно падающим телом.

Но если бы учёные исследовали падающие тела только с помощью наклонного жёлоба, им не удалось бы узнать, что сила тяжести на Земле меняется в зависимости от места наблюдения. Это открытие было сделано с помощью маятника.

Прежде чем говорить об исследованиях с помощью маятника, нужно познакомиться с его свойствами. Простой маятник — это тяжёлый шарик на тонкой нити, раскачивающийся из одной стороны в другую. Чтобы пользоваться им, нужно узнать, от чего зависит продолжительность одного колебания маятника, или, как говорят, величина его периода.

Подвесив небольшой груз на нитке, легко можно видеть, как влияет на период колебаний маятника его длина.

Укоротив нить маятника, например, в четыре раза, легко по часам определить, что маятник стал колебаться вдвое быстрее, то-есть период его колебания стал в два раза короче. Если же удлинить маятник, скажем, в девять раз, то период его колебаний увеличится в три раза.

Но на период колебаний маятника большое влияние оказывает и сила тяжести. Причину этого влияния понять нетрудно. Предположим, что маятник висит неподвижно. Отведите его в сторону, и он немного приподнимется. Если теперь отпустить его, то груз маятника начнёт падать.

Правда, он не падает по вертикали, а движется под действием тяжести ускоренно по дуге круга. Его движение сходно с движением скатывающегося по наклонному жёлобу шара. Когда груз маятника достигнет низшей точки своего пути, падение прекращается. Но по инерции он продолжает движение по дуге круга вверх. Теперь сила тяжести замедляет его движение на столько, на сколько ускоряла его на первой половине пути.

Значит, скорость колебаний маятника зависит, кроме его длины, ещё и от ускорения падения. Но ведь лёгкие и тяжёлые тела падают с одинаковой скоростью. Поэтому понятно, что свинцовый груз и лёгкая пробка, подвешенные на нитях равной длины, колеблются с одинаковой скоростью, то-есть период колебаний этих маятников не зависит от их веса.

Однако если подняться с маятником на высокую гору, то там сила тяжести ослабевает и уменьшается ускорение свободного падения. Понятно, что и маятник на высокой горе будет колебаться немного медленней.

Вот почему маятник может служить при изучении изменения силы тяжести: если она увеличится, маятник начинает колебаться быстрее; при уменьшении её он колеблется медленнее.

Это свойство маятника сделало его очень важным прибором при изучении изменения силы тяжести на земной поверхности.

6. Как меняется тяжесть на Земле

Прежде всего учёные применили маятник в часах. Измерение времени было одной из важнейших задач науки и практики.

Время измеряют часами, которые делят на минуты и секунды. Более длительные периоды времени измеряются сутками и месяцами. Продолжительность жизни людей определяют годами.

Откуда же взялись все эти единицы времени?

Они не произвольны, а связаны с явлениями в природе, происходящими всегда через равные промежутки времени.

Первыми часами людей было само Солнце. Все знают, как меняется в течение дня длина тени от деревьев и столбов. Ранним утром она очень длинна, а чем ближе к полудню, тем становится короче. Кроме того, меняется и её направление.

Значит, по тени столбика, падающей на гладкую площадку, можно определять время. На месте, освещаемом солнечными лучами, устанавливали столбик, отбрасывавший тень. Направление тени при восходе солнца было началом суток, продолжавшихся до следующего восхода. Конец тени, перемещающийся в течение дня вместе с движением Солнца, указывал часы.

Ясно, что в этом случае мы измеряем время скоростью вращения Земли, потому что видимое движение Солнца — только отражение этого вращения.

Когда были открыты законы движения маятника, были изобретены часы, ход которых регулировался колебаниями маятника.

В основу была положена остроумная идея: колебания маятника регулируют опусканием гири, а от неё, в свою очередь, маятник получает толчки, поддерживающие его колебания.

Выверив такие часы по Солнцу, учёные были уверены, что маятник будет точно регулировать их ход в любом месте земной поверхности, если не менять его длину.

Однако оказалось, что учёные ошибались. Их ожидало новое открытие: когда один из них предпринял путешествие из Парижа в Кайену (экваториальная зона Южной Америки), его часы по прибытии туда стали отставать, хотя длина их маятника не изменилась.

Причина этого явления заключалась в том, что скорость колебаний маятника зависит не только от его длины, но и от силы тяжести. Так как длина маятника не изменилась, значит, вблизи экватора уменьшилась сила тяжести.

В этом случае период колебаний маятника становится длиннее и часы должны отставать.