3B Scientific Foucault Pendulum User Manual [en, de, es, fr, it]

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Bedienungsanleitung

4/05 ELWE/ALF

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

8403000 Foucault-Pendel

Das Foucault-Pendel dient der quantitativen Messung und dem qualitativen Nachweis der Erdrotation.

1. Sicherheitshinweise

∑ Glasgehäuse keinen mechanischen Belastungen aus-

setzen. Bruch- und damit Verletzungsgefahr!

∑ Hinweise zur Aufstellung beachten (3.1 Aufbau). ∑ Elektrische Anregung so einstellen, dass die Kugel die

Glaswand nicht berührt.

2. Beschreibung, technische Daten

Im Jahr 1850 zeigte der Franzose Foucault zum ersten Mal mit einem Pendel, dass die Erde sich dreht. Er benutzte dafür ein Pendel mit einem Gewicht von 28 kg und 67 m Länge. Das ELWE- Foucault-Pendel ist ein Kompaktgerät, bei dem die Amplitude des Pendels durch kontinuierliche Anregung konstant gehalten wird. Ein Charron-Ring (siehe Fig. 2) verhindert eine elliptische Bewegung. Dadurch sind Langzeitmessungen möglich. Eine Messvorrichtung mit Winkelminuteneinteilung (Fig. 1) ermöglicht genaue Messungen innerhalb kurzer Zeit. Das

Fig. 1: Winkelmesseinrichtung

Fig. 2: Charron-Ring

Fig. 3: Bedienfeld

1Hauptschalter, 2 Sicherung, 3 Schalter Antriebseinheit, 4Kontrollleuchte, 5Impulsregler, 6Schalter Projektionslampe

Gehäuse ist von allen Seiten gut einsehbar und erlaubt so mehreren Beobachtern gleichzeitig die Veränderung der Schwingungsrichtung zu verfolgen. Das Gerät kann während des Versuchs, ohne Öffnung der Tür, bedient werden. Ein genaues Justieren des Foucault-Pendels ist leicht mit dem Zubehör durchzuführen.

2.1 Grundsätzliche Funktionen

2.1.1 Kontinuierliches Schwingen des Pendels Ein Elektromagnet mit radialsymmetrischem Magnetfeld ist genau in der Mitte der Pendelbahn montiert. Der Magnet wirkt nur dann, wenn sich das Pendel auf den Mittelpunkt zubewegt. Der Elektromagnet wird durch eine Fotozelle gesteuert, die den Schatten der Pendelbewegung durch das Licht einer eingebauten Leuchtstofflampe registriert. Das Pendel wird so angeregt, dass seine Amplitude konstant bleibt (Fig. 4).

Fig. 4

Die Winkelgeschwindigkeit der Pendelrotation ω beträgt

ω = ωe · sin θ

mit ω

= Winkelgeschwindigkeit der Erde

(= 360° / Tag = 15° / Stunde) und θ = Breitengrad des Versuchsortes.

In mittleren Breiten dreht die Pendelebene ca. 8°– 13° pro Stunde. Das Foucault-Pendel ermöglicht es mit sei-

a) b) c)

ner Messeinrichtung (siehe Fig. 5) Messungen bereits in wenigen Minuten Unterrichtszeit durchzuführen. Bei der Situation in Fig. 5c die Lichtquelle nachführen, bis sich die Fadenprojektion auf dem Schirm nicht mehr bewegt (Fig. 5b). Damit ist die momentane Schwingungsebene genau bestimmt. Eine Untersetzung der Skala von 36:1 ermöglicht es Winkel von weniger als 1° zu messen.

Fig. 5: Winkelmessung durch Schattenprojektion (Pendelschwingung von oben gesehen)

2.1.3 Verhinderung einer elliptischen Schwingung des Pendels

Beim Experiment muss das Pendel in einer Ebene schwingen (Fig. 6b). Wenn das Pendel elliptisch zu schwingen beginnt (Fig. 6c), beeinflussen neben der Erdrotation noch andere Faktoren seine Drehbewegung. Korrekte Messergebnisse sind dann nicht zu erwarten. Um elliptische Schwingungen zu verhindern, wird beim Foucault-Pendel ein Ring verwendet (siehe Fig. 2). Der Ring beeinflusst bei optimaler Amplitudeneinstellung nicht die Pendelebene. Er dämpft aber eine Bewegungs-

komponente senkrecht zur Pendelbewegung im Umkehrpunkt.

2.2 Technische Daten

Pendel: Aufhängefaden: 120 cm Metallpendelkugel: 38 mm Ø, 230 g Winkelmessung: Winkelscheibe: 340 mm Ø, 360° Teilung: Nonius 0,1°

a) b) c)

Fig. 6: Verhindern von elliptischen Schwingungen (Pendelschwingung von oben gesehen)

Fadenprojektion durch zuschaltbaren Lichtstrahl Linsenglühlampe: E10 3,7 V, 0,3 A Anregung:

Pulsierender Anregungsmechanismus, elektromagnetisch, eingebaute Fotozelle zur Synchronisation Knopf zur Amplitudenregelung Kontrolllampe für Anregung

Gehäuse:

Verglastes Metallgehäuse mit Tür: 40 cm x 40 cm x

150 cm 4 Einstellfüße für lot rechte Aufstellung Beleuchtung: Leuchtstoffröhre 36 W,

50/60 Hz

Stromversorgung: 115 V bzw. 230 V,

50/60 Hz

Netzsicherung: 0,063 A, träge

3. Bedienung

3.1 Aufbau

3.1.1 Aufstellung ∑ Foucault-Pendel auf einen horizontalen Platz mit sta-

biler Grundlage aufstellen.

∑ Gehäuse und Ring mit den Händen auf Vibrationen

überprüfen. Sollten Vibrationen spürbar sein, ist dieser Platz ungeeignet. Bei schwingungsfähigen Böden ist eine Stelle zu wählen, die nicht unmittelbar von vielen Personen frequentiert wird. Besonders auf Klimaanlagen bzw. andere schwingungserzeugende Geräte achten.

∑ Direkte Sonneneinstrahlung vermeiden, da dies die

Wahrnehmung des projizierten Fadens erschweren oder eventuell Fehlfunktionen der Fotozelle verursachen kann.

3.1.2 Montage des Pendels ∑ Abstand zwischen der Pendelkugel und dem Elektro-

magneten auf ca. 3 mm einstellen. Dieser Abstand ist erreicht, wenn die Kugel die aufgelegte Justagescheibe gerade berührt (siehe Fig. 7). Bei zu großem Abstand ist die Wirkung des Anregungsmechanismus schwächer.

Fig. 7: Abstand zwischen der Pendelkugel und dem Elektromagneten

∑ Hängt die Kugel längere Zeit, so sollte der Abstand

überprüft werden, da der Faden sich um 1 bis 2 mm dehnen kann.

3.1.3 Horizontale Justierung ∑ Justagezylinder auf die Messvorrichtung stecken und

die Pendelkugel in diesen stecken (siehe Fig. 8).

∑ Zur Justierung die Einstellfüße verdrehen. Das Ein-

stellen geht leichter, wenn gleichzeitig zwei Füße gedreht werden.

Fig. 8: Horizontale Justierung

∑ Die Kugel muss genau in der Mitte des Zylinders hän-

gen.

3.1.4 Fadenprojektion ∑ Nach Zuschalten der Projektionslampe bei eingehäng-

ter Kugel im Justagezylinder muss die Fadenprojektion auf dem Schirm den vertikalen Strich abdecken.

∑ Diese werkseitige Einstellung muss bei einem Glüh-

lampenwechsel ggf. erneut durchgeführt werden (siehe 3.3 ).

3.2 Versuchsdurchführung

∑ Überprüfen, ob alle in 3.1 beschriebenen Vorberei-

tungen ausgeführt wurden.

∑ Wenn der Versuch nur mit der natürlichen Schwin-

gung des Pendels durchgeführt werden soll, muss der Schalter für die Pendelanregung auf „AUS“ stehen. In diesem Fall geht die Schwingung des Pendels in 15 min auf weniger als 1/3 zurück. Die Messungen sollten in dieser Zeit vorgenommen werden.

∑ Wird mit Anregung gearbeitet, sollte die Amplitude

ca. 5 min lang beobachtet und ggf. mit dem Einstellknopf für die Anregung korrigiert werden.

∑ Pendelkugel mit der Hand auslenken und loslassen.

Das Pendel muss in einer Ebene schwingen. Falls es elliptisch schwingt, Versuch abbrechen und erneut starten.

∑ Tür vorsichtig schließen. ∑ Wenn die Schwingung nach einigen Minuten stabil

ist, die Winkelscheibe so einstellen, dass das projizierte Abbild des Fadens mit der Grundlinie übereinstimmt.

∑ Die Messung des Drehwinkels wird an dem Punkt

vorgenommen, an dem die Fadenprojektion auf dem Schirm bei Drehen der Winkeleinstellscheibe sich nicht mehr horizontal bewegt.

∑ Falls sich die Fadenprojektionseinheit beim Drehen

der Winkeleinstellscheibe nicht bewegt, ist die Feststellschraube auf festen Sitz zu überprüfen.

∑ Den groben Winkel auf der Grundplatte und den ge-

nauen Winkel mit der Winkelfeinableseskala ablesen.

3.3 Weitere Hinweise

∑ Bei angeregtem Pendel muss die Leuchtstoffröhre

eingeschaltet sein, da sie als Lichtquelle für den Fotosensor dient.

∑ Die Befestigungsschrauben für Faden und Ringplatte

sollten auf festen Sitz überprüft werden, da die Messungen ungenau werden, wenn die Fadenbefestigung Spiel hat (Fig. 9).

Fig. 9

∑ Die Zentrierung des Rings wurde werkseitig justiert.

Sollte ein erneutes Einstellen notwendig sein, sind folgende Punkte zu beachten (Fig. 10):

1. Das Pendel sollte mit dem Justagezylinder ausgerichtet werden (siehe 3.1.3).

2. Justierring einsetzen.

3. Die Schrauben auf der Unterseite des Charron-Rings lösen ohne sie vollständig herauszudrehen.

4. Den Justierring in die Mitte des Charron-Rings einpassen und den Charron-Ring durch leichtes Klopfen bewegen, so dass der Faden genau durch die Mitte des Justierrings hängt.

5. Schrauben anziehen ohne den Ring zu verstellen.

∑ Beim Auswechseln des Aufhängefadens ist darauf zu

achten, dass die Befestigungsplatte für den Faden nicht verstellt wird, da dies eine erneute Justierung des Ringes zur Folge hätte. Der Faden sollte nach Möglichkeit nur mit seiner Befestigungsschraube gewechselt werden.

∑ Wenn die Amplitude des Pendels nicht genau einge-

stellt ist, kann sich die Pendelebene entweder zu schnell oder zu langsam drehen. Für Präzisionsmessungen wird die geeignetste Amplitude bestimmt, indem die Drehung der Schwingungsebene beobachtet wird.

∑ Ungenauigkeiten bei der Justierung des Gehäuses, der

Zentrierung des Rings oder der Amplitude des Pendels oder schlechte Aufstellbedingungen können die Drehung des Pendels nachteilig beeinflussen und führen entweder zu einer zu langsamen oder zu schnellen Drehung.

∑ Wenn das Pendel unten stehen bleibt, sind mögliche

Ursachen:

1. Die Anregung ist abgeschaltet.

2. Die Leuchtstoffröhre ist aus.

∑ Verdrillungen des Aufhängefadens können Messfeh-

ler zur Folge haben. Um Verdrillungen zu beseitigen, ist der Faden mit der Pendelkugel einige Stunden frei hängen zu lassen.

∑ Wenn die Projektionslampe nicht leuchtet, sind mög-

liche Ursachen:

1. Die Projektionslampe ist nicht eingeschaltet.

2. Die Glühlampe ist locker. Lampenhülse mit leichter Drehbewegung abziehen und die Glühlampe festdrehen.

3. Die Glühlampe ist defekt. Lampenhülse mit leichter Drehbewegung abziehen und die Glühlampe austauschen.

4. Die Schleifkontakte haben keinen Kontakt. Die Feststellschraube lösen und die Fadenprojektionseinheit leicht nach unten drücken und im belasteten Zustand fixieren. Bei weiterer Fehlfunktion die Feststellschraube lösen und die Fadenprojektionseinheit entfernen. Die Schleifkontakte auf mechanische Beschädigung überprüfen.

∑ Lässt sich die Fadenprojektion mit dem Schirm nicht

auf Deckung bringen, so wird die Lampenhülse mit leichter Drehung abgezogen und der Lichtstrahl durch radialen Druck auf die Lampenfassung auf den Schirm ausgerichtet. Zur Überprüfung die Kugel in den Justierzylinder einhängen. Falls die Fadenprojektion nicht den vertikalen Strich abdeckt, muss die werkseitig vorgenommene Einstellung durchgeführt werden. Die zwei Befestigungsschrauben der Lampenfassung lockern und die Lampenfassung in horizontaler Richtung verschieben, bis die Fadenprojektion den vertikalen Strich abdeckt.

Fig. 10

ELWE Didactic GmbH • Steinfelsstr. 5 • 08248 Klingenthal • Deutschland • www.elwedidactic.com

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com

Technische Änderungen vorbehalten

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8403000 Foucault’s pendulum

Operating instructions

4/05 ELWE/ALF

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

Foucault's pendulum is used for the quantitative measurement and qualitative demonstration of the earth's rotation.

1. Safety instructions

∑ The glass housing should not be subjected to any

mechanical load or stress. Caution: Danger of breakage and injury!

∑ Follow the instructions for positioning (3.1 Setup). ∑ When configuring the electrical excitation, do not turn

up the electricity so high that the bob hits the glass wall.

2. General description, technical data

In 1850, Frenchman Jean Bernard Leon Foucault demonstrated the rotation of the earth for the first time with the help of a pendulum. To do so, he used a pendulum with a weight of 28 kg and a length of 67 m. The ELWE Foucault pendulum is a compact apparatus which maintains the amplitude of the pendulum by constant excitation. A Charron ring (see Fig. 2) prevents any elliptical motion. By virtue of this, long-term measurements are possible. A measuring device consisting of an angle scale divided into minutes (Fig. 1) enables quick and precise measurements. The housing permits clear visibility from all sides and allows several observers to simultaneously observe the change in the direction of oscillation. The apparatus

Fig. 1: Scale for measurement of angle

Fig. 2: Charron ring

Fig. 3: Control panel

1Main switch, 2 Fuse, 3 Dri ve unit switch, 4Control lamp, 5Pulse regulator, 6Projection lamp switch

can be operated during the experiment without having to open the door. An exact adjustment of Foucault's pendulum can be carried out easily with the aid of accessories.

2.1 Basic Functions

2.1.1 Continuous swinging of the pendulum An electromagnet with a radially symmetric magnetic field is mounted exactly in the middle of the pendulum's path. The magnet only has an effect when the pendulum is moving towards the centre. The electromagnet is controlled by a photovoltaic cell which registers the shadow of the pendulum motion by the light provided by a builtin fluorescent lamp. The pendulum is excited in a way such that its amplitude remains constant (Fig. 4).

Fig. 4

2.1.2 Measurement of the angle of precession The angular velocity of the pendulum's precession ω is

ω = ωe · sin θ

where ω

= angular velocity of the earth

(= 360°/day = 15°/hour) and θ = latitude of the place of experimentation.

In temperate latitudes, the pendulum swings at approx. 8°-13° per hour. By virtue of its measuring scale (see Fig. 5), Foucault's pendulum allows measurements to

a) b) c)

be carried out quickly and effectively, taking up just a few minutes of the lesson. Move the source of light for the situation in Fig. 5c until the projection of the string stops moving on the screen (Fig. 5b). By this means, the present plane of oscillation can be accurately determined. A 36:1 vernier scale enables the measurement of angles <1°.

Fig. 5: Angular measurement by shadow projection (swing of the pendulum observed from above)

2.1.3 Preventing elliptical motion of the pendulum During the experiment, the pendulum must swing in one and the same plane (Fig. 6b). If the pendulum begins to swing in an elliptical fashion (Fig. 6c), other factors apart from the rotation of the earth have an influence on its rotational motion. Accurate measurements are therefore not possible. In order to prevent elliptical motion, a ring is used in Foucault's pendulum (see Fig. 2). At an ideal amplitude setting, the ring has no influence on the plane of the pendulum. It does, however, suppress any component of the motion that is perpendicular to the plane of oscillation at its endpoint.

2.2 Technical data

Pendulum: Suspension string: 120 cm Metal pendulum bob: 38 mm Ø, 230 g Protractor: Protractro disc: 340 mm Ø, 360° Divisions: Vernier 0.1°

String projection by means of a light beam that can be

switched on and off

Incandescent lamp with lens: E10 3.7 V, 0.3 A

a) b) c)

Fig. 6: Preventing elliptical motion (swing of the pendulum observed from above)

Excitation:

Electromagnetic pulse excitation mechanism Integrated, photovoltaic cell for synchronisation Switch for regulating the amplitude Indicator lamp for excitation

Housing:

Glazed metal housing with door: 40 cm x 40 cm x 150 cm Stand base with 4 adjustable feet for plumb vertical positioning Lighting: Fluorescent tube 36 W,

50/60 Hz

Power supply: 115 V or 230 V, 50/60 Hz Mains fuse: 0.063 A, slow blow

3.1.3 Horizontal adjustment ∑ Insert the adjustment cylinder onto the measuring

scale and insert the pendulum bob into this cylinder (see Fig. 8).

∑ For correct adjustment, turn the feet of the stand

base till a suitable height is attained. Adjustment becomes easier when two feet of the stand base are moved simultaneously.

∑ The bob must be suspended exactly in the middle of

the cylinder.

3. Operation

3.1 Setup

3.1.1 Assembly ∑ Set up Foucault's pendulum on a horizontal surface

with a stable foundation.

∑ Using your hands, check the housing and the ring for

vibrations. If any vibrations are felt, it means that this place is unsuitable. If a floor is able to vibrate, a spot must be chosen where few people are likely to pass close by. Pay special attention to air conditioning units and other appliances that are capable of generating vibrations.

∑ Avoid direct solar radiation, as this may make it diffi-

cult to register the shadow projected from the string and possibly even cause incorrect triggering of the photovoltaic cell.

3.1.2 Mounting the pendulum ∑ Set the distance between the pendulum bob and the

electromagnet to approx. 3 mm. This distance is achieved when the bob barely touches the plate that can be laid over the electromagnet in order to make this adjustment (see Fig. 7). If the distance is too great, the effect of the excitation mechanism is weaker.

∑ If the bob is suspended for a longer period, then the

distance should be checked, because the string can stretch by 1 to 2 mm.

Fig. 7: Distance between the pendulum bob and the electromagnet

Fig. 8: Horizontal adjustment

3.1.4 String projection ∑ After switching on the projection lamp, while retain-

ing the suspended bob in the adjustment cylinder, make sure that the string projection covers the vertical line on the screen.

∑ This factory calibration may need to be carried out

once again when the bulb has to be changed (see

3.3).

3.2 Experimental procedure

∑ Check whether all preparations described in 3.1 have

been carried out.

∑ If the experiment is to be carried out only with the

natural swing of the pendulum, then the switch for excitation of the pendulum must be switched to "OFF". In this case, the swing of the pendulum is reduced to less than 1/3 of its initial amplitude in 15 minutes. The measurements must be conducted within this period.

∑ If the experiment is conducted with excitation, then

the amplitude must be observed for approx. 5 minutes and, if required, should be corrected using the excitation adjustment switch.

∑ Displace the pendulum bob by hand and release it.

During the experiment, the pendulum must swing in one and the same plane. If it begins to swing in an elliptical path, the experiment will have to be stopped and restarted.

∑ Shut the door carefully. ∑ When the swinging motion becomes stable after a

few minutes, set the protractor disc such that the projected image of the string coincides with the baseline.

∑ The measurement of the angle of rotation is con-

ducted at the point where the string projection on the screen stops moving horizontally as the angle adjustment dial is turned.

∑ If the string projection unit does not move while the

angular adjustment dial is rotating, then check whether the locking screw has been properly screwed down.

∑ Take readings of the approximate angle on the base

plate and use the vernier scale to read the exact angle.

3.3 Further instructions

∑ In the case of an excited pendulum, the fluorescent

tube must be switched on, as it is a source of light for the photovoltaic sensor.

∑ The fastening screws for the string and the ring plate

must be checked to ensure that they are secure. Measurements can be inaccurate, if the string fastening is not tight (Fig. 9).

Fig. 9

∑ The centring of the ring is factory-adjusted. If a new

setting is required, the following steps must be followed (Fig. 10):

1.The pendulum must be aligned with the help of

the adjustment cylinder (see 3.1.3).

2. Insert the adjustment ring.

3. Loosen the screws on the underside of the Charron

ring without taking them out completely.

Fig. 10

4.Fit the adjustment ring in the middle of the Charron ring and move the Charron ring by knocking on it lightly till you see that the string is suspended exactly in the middle of the adjustment ring.

5. Tighten the screws without displacing the ring.

∑ When changing the suspension string care should be

taken to make sure the mounting bracket for the string is not displaced, as this would mean repeating the adjustments for the ring. As far as possible, only the string's own fastening screw should be involved in replacing the string.

∑ If the amplitude of the pendulum has not been ad-

justed accurately, then the plane of the pendulum can precess either too quickly or too slowly. For precision measurements, the ideal amplitude is determined by observing the precession of the plane of oscillation.

∑ Inaccuracies in the adjustment of the housing, cen-

tring of the ring and the amplitude of the pendulum, or poor surface conditions can have an adverse effect on the precession of the pendulum and can lead to the precession becoming either too slow or too quick.

∑ If the pendulum stops swinging, the following are

possible causes:

1. The excitation has been switched off.

2. The fluorescent lamp has been switched off.

∑ Twists in the suspension string can induce measure-

ment errors. In order to remove twists in the string, allow the string to hang freely for a few hours with the pendulum bob suspended from it.

∑ If the projection lamp does not light, the following

are possible causes:

1. The projection lamp has not been switched on.

2. The bulb is loose. Remove the sleeve of the lamp by turning gently and fasten the bulb.

3. The bulb is faulty. Remove the sleeve of the lamp by turning gently and replace the bulb.

4. The sliding contacts are not making contact. Loosen the locking screw, gently press down the string projection unit and fasten it under this pressure. In case of further malfunctioning, loosen the locking screw and remove the string projection unit. Check the sliding contacts for any mechanical damage.

∑ If the string projection cannot be made to coincide

with the screen, remove the sleeve of the lamp by turning gently and direct the light beam on to the screen by applying radial pressure on the lamp socket. For verification, suspend the bob in the adjustment cylinder. If the string projection does not cover the vertical line, then the factory settings must be recalibrated. Loosen the two fastening screws of the lamp socket and move the lamp socket horizontally till the string projection covers the vertical line.

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8403000 Pendule de Foucault

Instructions d’emploi

4/05 ELWE/ALF

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

Le pendule de Foucault permet la mesure quantitative et la preuve qualitative de la rotation terrestre.

1. Consignes de sécurité

• N’exposez pas le boîtier en verre à des charges méca-

niques. Risque de cassure et ainsi de blessure !

• Respectez les prescriptions d’installation (3.1 Monta-

ge).

• Réglez l’excitation électrique de manière à ce que la

bille ne touche pas la paroi en verre.

2. Description, caractéristiques techniques

En 1850, le physicien français Foucault a démontré pour la première fois à l’aide d’un pendule que la Terre tournait. Il s’est servi d’un pendule de 28 kg et de 67 m de long. Le pendule de Foucault ELWE est un appareil compact dont l’amplitude est maintenue constante sous l’effet d’une excitation permanente. Un anneau de Charron (voir fig. 2) empêche tout mouvement elliptique. Vous pouvez ainsi réaliser des mesures à long terme. Un dispositif de mesure avec une division à minutes d’angle (fig. 1) permet de réaliser des mesures précises en très peu de temps. Bien visible de tous les côtés, le boîtier permet à plusieurs observateurs en même temps de sui-

Fig. 1: Dispositif de mesure angulaire

Fig. 2: Anneau de Charron

Fig. 3: Panneau de commande

1Interrupteur principal, 2 Fusible, 3 Commutateur de l’unité d’entraînement, 4Témoin de contrôle, 5Régulateur d’impulsion,

6 Commutateur de la lampe de projection

vre le changement de l’oscillation. Vous pouvez commander l’appareil pendant l’expérience sans être obligé d’ouvrir la porte. Les accessoires permettent un ajustage aisé et précis du pendule de Foucault.

2.1 Fonctions fondamentales

2.1.1 Oscillation continue du pendule Un électro-aimant avec champ magnétique à symétrie radiale est placé très exactement au milieu de la trajectoire du pendule. L’aimant n’agit que lorsque le pendule se déplace vers le centre. L’électro-aimant est contrôlé par une cellule photoélectrique qui enregistre l’ombre du mouvement pendulaire à travers la lumière de la lampe fluorescente intégrée. Le pendule est excité de manière à ce que son amplitude reste constante (Fig. 4).

Fig. 4

2.1.2 Mesure de l’angle de rotation La vitesse angulaire de la rotation du pendule w s’élève à

ω = ωe • sin θ ω

= vitesse angulaire de la Terre

(= 360° / jour = 15° / heure) et θ = degré de latitude du lieu où est réalisée

l’expérience. A des latitudes moyennes, le plan du pendule tourne à environ 8°– 13° par heure. A l’aide de son dispositif de

a) b) c)

mesure (voir fig. 5), le pendule de Foucault permet de réaliser des mesures en quelques minutes. Dans la situation de la fig. 5c, orienter la source lumineuse, jusqu’à ce que la projection du fil ne se déplace plus à l’écran (fig. 5b). Le plan d’oscillation momentané peut ainsi être déterminé avec précision. Une réduction de la graduation de 36:1 permet de mesurer des angles de moins de 1°.

Fig. 5: Mesure angulaire par projection d’ombre (oscillation pendulaire vue du haut)

2.1.3 Empêcher une oscillation elliptique du pendule Au cours de l’expérience, le pendule doit osciller dans un plan (fig. 6b). Lorsqu’il commence à présenter une oscillation elliptique (fig. 6c), d’autres facteurs que la rotation de la Terre influencent encore son mouvement rotatif. Vous ne pourrez plus obtenir des résultats corrects. Pour éviter des oscillations elliptiques, on utilise sur le pendule de Foucault (voir fig. 2) un anneau qui n’influence pas le plan du pendule si l’amplitude est réglée correctement. Mais il amortit une composante du mouvement dans l’axe perpendiculaire au mouvement pendulaire au point de rebroussement.

2.2 Caractéristiques techniques

Pendule : Fil de suspension : 120 cm Bille métallique : Ø 38 mm, 230 g Mesure angulaire : Disque angulaire : Ø 340 mm, 360° Division : vernier 0,1°

Projection du fil avec un rayon lumineux commutable Lampe lentille : E10 3,7 V, 0,3 A

a) b) c)

Fig. 6: Empêcher des oscillations elliptiques (oscillation pendulaire vue du haut)

Excitation :

Mécanisme pulsant électromagnétique Cellule photoélectrique intégrée pour la synchronisation Bouton pour le réglage de l’amplitude Témoin de contrôle pour l’excitation

Boîtier :

Boîtier métallique sous verre avec porte : 40 cm x 40 cm x 150 cm 4 pieds de réglage pour une installation à plomb Eclairage : tube fluorescent 36 W,

50/60 Hz

Alimentation : 115 V ou 230 V,

50/60 Hz

Fusible secteur : 0,063 A (retardé)

3. Commande

3.1 Montage

3.1.1 Mise en place

• Placez le pendule de Foucault à un endroit horizontal

sur un support stable.

• Avec les mains, vérifiez si le boîtier et l’anneau vi-

brent. Si vous sentez des vibrations, cet emplacement n’est pas adéquat. Sur des sols vibrants, choisissez un endroit qui n’est pas fréquenté par beaucoup de personnes. Evitez notamment des climatiseurs ou d’autres appareils générant des vibrations.

• Evitez un rayonnement solaire direct, car celui-ci at-

ténue la perception du fil projeté ou provoque éventuellement un dysfonctionnement de la cellule photoélectrique.

3.1.2 Montage du pendule

• Réglez l’écart entre la bille et l’électro-aimant à env. 3

mm. Cet écart est atteint lorsque la bille touche légèrement le disque d’ajustage (voir fig. 7). Un écart trop important affecte l’effet du mécanisme d’excitation.

• Si la bille est suspendue depuis un certain temps,

vérifiez l’écart, car le fil peut s’allonger de 1 à 2 mm.

Fig. 7: Ecart entre la bille et l’électro-aimant

3.1.3 Ajustage horizontal

• Placez le cylindre d’ajustage sur le dispositif de me-

sure et insérez la bille dans ce dernier (voir fig. 8).

• Tournez les pieds d’ajustage. Pour faciliter le réglage,

tournez deux pieds en même temps.

• La bille doit pendre très exactement au milieu du

cylindre.

Fig. 8: Ajustage horizontal

3.1.4 Projection du fil

• Lorsque la lampe de projection est allumée après

que la bille est suspendue dans le cylindre d’ajustage, la projection du fil doit recouvrir le trait vertical à l’écran.

• Après un remplacement de la lampe, il faudra éven-

tuellement réaliser de nouveau ce réglage usine (voir 3.3).

3.2 Réalisation de l’expérience

• Vérifiez que tous les préparatifs décrits au point 3.1

ont été réalisés.

• Si l’expérience ne doit être réalisée qu’avec l’oscilla-

tion naturelle du pendule, réglez le commutateur pour l’excitation pendulaire sur « OFF ». Dans ce cas, l’oscillation du pendule est réduite à moins d’un tiers en un quart d’heure. Les mesures seront réalisées pendant ce laps de temps.

• Si vous travaillez avec un mécanisme d’excitation,

observez l’amplitude pendant environ cinq minutes et, le cas échéant, corrigez-la avec le bouton pour l’excitation.

• Déviez et relâchez la bille à la main. Le pendule doit

osciller dans un plan. Si l’oscillation est elliptique, interrompez puis recommencez l’expérience.

• Refermez la porte avec précaution.

• Si l’oscillation s’est stabilisée après quelques minu-

tes, réglez le disque angulaire de manière à ce que l’image projetée du fil coïncide avec la ligne de base.

• La mesure de l’angle de rotation est réalisée au point

où la projection du fil ne se déplace plus dans l’axe horizontal à l’écran lorsque tourne le disque de réglage angulaire.

• Si l’unité de projection ne bouge pas lorsque tourne

le disque de réglage angulaire, vérifiez la bonne fixation de la vis de serrage.

• Lisez l’angle approximatif sur la plaque de base et

l’angle précis à l’aide de la graduation fine.

3.3 Remarques complémentaires

• Lorsque le pendule est excité, le tube fluorescent doit

être allumé, car il sert de source lumineuse à la cellule photoélectrique.

• Vérifiez le bon serrage des vis de fixation pour le fil et

la plaque annulaire, car les mesures deviennent imprécises lorsque la fixation du fil présente un jeu (fig. 9).

Fig. 9

• Le centrage de l’anneau a été ajusté en usine. Si un

nouveau réglage s’avère nécessaire, observez les points suivants (fig. 10) :

1. Le pendule doit être ajusté avec le cylindre d’ajustage (voir 3.1.3).

2. Installez l’anneau d’ajustage.

3. Desserrez les vis sous l’anneau de Charron, sans les dévisser complètement.

Fig. 10

4. Insérez l’anneau d’ajustage au milieu de l’anneau de Charron et mettez ce dernier en mouvement en frappant légèrement dessus, de sorte que le fil pende très exactement au centre de l’anneau d’ajustage.

5. Serrez les vis sans déplacer l’anneau.

• Lorsque vous remplacez le fil de suspension, veillez à

ce que sa plaque de fixation ne soit pas déplacée, car cela obligerait à ajuster de nouveau l’anneau. Dans la mesure du possible, le fil ne doit être remplacé qu’avec sa vis de fixation.

• Si l’amplitude du pendule n’est pas réglée correcte-

ment, le plan du pendule tournera trop lentement ou trop vite. Pour obtenir des mesures de précision, déterminez l’amplitude la plus appropriée en observant la rotation du plan oscillant.

• Des imprécisions lors de l’ajustage du boîtier, du cen-

trage de l’anneau ou de l’amplitude du pendule, ainsi que de mauvaises conditions d’installation peuvent atténuer la rotation du pendule et entraînent une rotation trop lente ou trop rapide.

• Si le pendule reste sans bouger, cela peut avoir les

causes suivantes :

1. L’excitation est désactivée.

2. Le tube fluorescent est éteint.

• Des torsions du fil peuvent engendrer des erreurs de

mesure. Pour enlever des torsions, laissez pendre le fil pendant quelques heures avec la bille.

• Si la lampe de projection ne brille pas, cela peut avoir

les causes suivantes :

1. La lampe n’est pas allumée.

2. La lampe à incandescence est desserrée. Retirez la douille en la tournant légèrement et fixez la lampe à incandescence.

3. La lampe à incandescence est défectueuse. Retirez la douille en la tournant légèrement et remplacez la lampe à incandescence.

4. Les contacts à frottement n’ont pas de contact. Desserrez la vis de fixation et appuyez légèrement sur l’unité de projection du fil pour la fixer sous charge. Si le défaut subsiste, desserrez la vis de fixation et retirez l’unité de projection. Vérifiez l’état mécanique des contacts à frottement.

• Si la projection du fil ne couvre pas le trait à l’écran,

retirez la douille de la lampe en la tournant légèrement et orientez le rayon lumineux vers l’écran en exerçant une pression radiale sur la douille de la lampe. Pour le vérifier, accrochez la bille dans le cylindre d’ajustage. Si la projection du fil ne couvre pas le trait vertical, réaliser à nouveau le réglage usine. Desserrez les deux vis de fixation de la douille de lampe et déplacez la douille dans le sens horizontal, jusqu’à ce que la projection du fil recouvre le trait vertical.

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Sous réserve de modifications techniques

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Istruzioni per l’uso

4/05 ELWE/ALF

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

8403000 Pendolo di Foucault

Il pendolo di Foucault serve per effettuare la misurazione quantitativa e la dimostrazione qualitativa della rotazione terrestre.

1. Norme di sicurezza

• Non sottoporre l’alloggiamento di vetro a sollecita-

zioni meccaniche. Pericolo di rottura e conseguente pericolo di lesioni!

• Osservare le istruzioni di installazione (3.1 Struttura).

• Regolare l’eccitazione elettrica in modo che la sfera

non tocchi la parete di vetro.

2. Descrizione, caratteristiche tecniche

Nel 1850, il francese Foucault mostrò per la prima volta con un pendolo che la terra gira su se stessa. Per fare ciò utilizzò un pendolo lungo 67 metri con un peso da 28 kg. Il pendolo di Foucault ELWE è un apparecchio compatto, nel quale l’ampiezza di oscillazione del pendolo viene mantenuta costante grazie all’eccitazione continua. Un anello di Charron (ved. fig. 2) impedisce la generazione di un movimento ellittico. In questo modo, l’apparecchio consente di effettuare misurazioni a lungo termine. Un dispositivo di misurazione con scala in minuti angolari (fig. 1) permette di ottenere misurazioni precise in breve tempo. L’alloggiamento è molto ben visibile da tutti i lati

Fig. 1: Dispositivo di misurazione angolare

Fig. 2: Anello di Charron

Fig. 3: Pannello di comando

1Interruttore generale, 2 Fusibile, 3 Interruttore unità di azionamento, 4Spia di controllo, 5Regolatore di impulsi,

6 Interruttore lampada per proiezione

e consente a più osservatori di seguire contemporaneamente la variazione della direzione di oscillazione. L’apparecchio può essere utilizzato durante l’esperimento senza aprire lo sportello. Il pendolo di Foucault è semplice da regolare grazie ad un accessorio apposito.

2.1 Funzioni di base

2.1.1 Oscillazione continua del pendolo Un elettromagnete con campo magnetico radialmente simmetrico è montato esattamente nel mezzo della rotaia del pendolo. Il magnete agisce solo se il pendolo si muove sul punto centrale. L’elettromagnete viene comandato tramite una cellula fotoelettrica, la quale registra le ombre del movimento del pendolo create mediante la luce di una lampada fluorescente integrata. Il pendolo viene eccitato in modo che l’ampiezza di oscillazione rimanga costante(Fig. 4).

Fig. 4

2.1.2 Misurazione dell’angolo di rotazione La velocità angolare della rotazione del pendolo ω è

ω = ωe • sin θ

dove ω

è la velocità angolare della terra

(= 360°/giorno = 15°/ora) e θ è il grado di latitudine del luogo

dell’esperimento. A latitudini centrali il piano del pendolo ruota di ca. 8°–13° ogni ora. Il pendolo di Foucault consente, grazie

a) b) c)

al dispositivo di misurazione (ved. fig. 5), di eseguire misurazioni nei pochi minuti disponibili durante la lezione. Per riprodurre la situazione rappresentata nella fig. 5c, regolare la sorgente luminosa finché la proiezione del filo sullo schermo non si stabilizza (fig. 5b). In questo modo si determina il piano di oscillazione temporaneo. Una riduzione della scala di 36:1 consente di misurare angoli inferiori a 1°.

Fig. 5: Misurazione angolare tramite proiezione di ombre (oscillazione del pendolo vista dall’alto)

2.1.3 Sistema per evitare l’oscillazione ellittica del

pendolo Durante l’esperimento il pendolo deve oscillare in un piano (fig. 6b). Se il pendolo inizia a compiere un’oscillazione ellittica (fig. 6c), significa che oltre alla rotazione terrestre sono presenti altri fattori che ne influenzano il movimento rotatorio. In tal caso non sarà possibile ottenere risultati di misurazione corretti. Per evitare oscillazioni ellittiche, nel pendolo di Foucault viene utilizzato un anello (ved. fig. 2). Con una regolazione ottimale dell’ampiezza, l’anello non influisce sul piano del pendolo. Tuttavia attenua una componente del

movimento verticale rispetto al movimento del pendolo nel punto di ritorno.

2.2 Dati tecnici

Pendolo: Filo di sospensione: 120 cm Sfera di metallo del pendolo: Ø 38 mm, 230 g Misurazione angolare: Disco goniometrico: Ø 340 mm, 360° Divisione: Nonio 0,1° Proiezione del filo tramite fascio luminoso collegabile Lampadina con lente: E10 3,7 V, 0,3 A

a) b) c)

Fig. 6: Sistema per evitare oscillazioni ellittiche (oscillazione del pendolo vista dall’alto)

Eccitazione:

Meccanismo di eccitazione a impulsi,

elettromagnetico,

Cellula fotoelettrica integrata per

sincronizzazione

Manopola per la regolazione dell’ampiezza

Spia di controllo dell’eccitazione

Alloggiamento:

Alloggiamento di

metallo con pareti

in vetro e sportello: 40 cm x 40 cm x 150 cm

4 piedini regolabili

per installazione

perpendicolare

Illuminazione: Tubo fluorescente da 36 W,

50/60 Hz

Alimentazione: 115 V o 230 V, 50/60 Hz Fusibile di rete: 0,063 A, ritardato

3.1.3 Regolazione orizzontale

• Inserire il cilindro di regolazione sul dispositivo di

misurazione e innestare la sfera del pendolo in quest’ultimo (ved. fig. 8).

• Per regolare la posizione, ruotare i piedini. Per sem-

plificare la procedura, ruotare due piedini contemporaneamente.

• La sfera deve pendere esattamente al centro del cilin-

dro.

Fig. 8: Regolazione orizzontale

3. Utilizzo

3.1 Struttura

3.1.1 Installazione

• Installare il pendolo di Foucault su un piano orizzon-

tale con base stabile.

• Controllare che l’alloggiamento e l’anello non siano

soggetti a vibrazioni. Qualora si presentino vibrazioni, il luogo di installazione non è adatto. Se il pavimento genera oscillazioni, scegliere un posto non direttamente frequentato da molte persone. Prestare attenzione alla posizione di condizionatori d’aria o altri apparecchi in grado di generare vibrazioni.

• Evitare l’esposizione alla luce solare diretta, poiché

ostacola la percezione della proiezione dell’ombra del filo o può causare eventuali malfunzionamenti della cellula fotoelettrica.

3.1.2 Montaggio del pendolo

• Regolare una distanza di ca. 3 mm tra la sfera del

pendolo e l’elettromagnete. Per verificare che la distanza sia corretta, è sufficiente che la sfera tocchi appena il disco di regolazione sopra di essa (ved. fig.

7). Se la distanza è eccessiva, l’effetto del meccanismo di eccitazione viene attenuato.

• Se la sfera viene lasciata appesa per lungo tempo,

verificare la distanza, poiché il filo potrebbe allungarsi di 1 o 2 mm.

Fig. 7: Distanza tra la sfera del pendolo e l’elettromagnete

3.1.4 Proiezione del filo

• Dopo l’attivazione della lampada di proiezione con

la sfera appesa nel cilindro di regolazione, la proiezione del filo sullo schermo deve coprire la linea verticale.

• Questa regolazione preimpostata deve essere nuo-

vamente eseguita, ad esempio in caso di sostituzione della lampadina (ved. 3.3 )

3.2 Esecuzione dell’esperimento

• Controllare che tutti i preparativi descritti al punto 3.1

siano stati completati.

• Se l’esperimento deve essere eseguito solo con l’oscil-

lazione naturale del pendolo, l’interruttore per l’eccitazione del pendolo deve essere posizionato su „OFF“. In questo caso l’oscillazione del pendolo torna ad un’ampiezza inferiore ad 1/3 in 15 minuti. Le misurazioni devono essere effettuate in questo intervallo di tempo.

• Se si applica l’eccitazione, l’ampiezza deve essere os-

servata per ca. 5 minuti ed eventualmente deve essere corretta con la manopola di regolazione dell’eccitazione.

• Spostare la sfera del pendolo con una mano e rila-

sciarla. Il pendolo deve oscillare su un piano. Se l’oscillazione risulta ellittica, interrompere l’esperimento e riprovare.

• Chiudere lo sportello con cautela.

• Se l’oscillazione si stabilizza dopo alcuni minuti, re-

golare il disco goniometrico in modo che l’ombra del filo proiettata coincida con la linea di base.

• La misurazione dell’angolo di rotazione deve essere

effettuata nel punto in cui la proiezione del filo sullo schermo non si muove più in direzione orizzontale ruotando il disco goniometrico.

• Se l’unità di proiezione del filo non si muove durante

la rotazione del disco goniometrico, controllare che la vite di arresto sia fissata correttamente in sede.

• Leggere l’angolo approssimativo sulla piastra di base

e l’angolo preciso con la scala per la lettura angolare di precisione.

3.3 Istruzioni aggiuntive

• Quando il pendolo viene eccitato il tubo fluorescente

deve essere acceso, perché serve come sorgente luminosa per il fotosensore.

• Controllare che le viti di fissaggio per il filo e la piastra

anulare siano inserite correttamente in sede, poiché le misurazioni possono risultare imprecise se il fissaggio del filo presenta gioco (fig. 9).

Fig. 9

• L’anello viene centrato in fabbrica. Qualora fosse ne-

cessaria un’ulteriore regolazione, fare attenzione a quanto riportato di seguito (fig. 10):

1. Il pendolo deve essere orientato con il cilindro di regolazione (ved. 3.1.3).

2. Inserire l’anello di regolazione.

3. Allentare le viti sul lato inferiore dell’anello di Charron senza svitarle completamente.

Fig. 10

4. Introdurre l’anello di regolazione al centro dell’anello di Charron e muovere quest’ultimo percuotendolo leggermente, in modo che il filo penda nel centro esatto dell’anello di regolazione.

5. Serrare le viti senza spostare l’anello.

• In caso di sostituzione del filo di sospensione, fare

attenzione che la piastra di fissaggio del filo non venga spostata, poiché sarebbe necessaria una nuova regolazione dell’anello. Se possibile, il filo deve essere sostituito solo con la propria vite di fissaggio.

• Se l’ampiezza di oscillazione del pendolo non è rego-

lata con precisione, il piano del pendolo può ruotare troppo rapidamente o lentamente. Per eseguire misurazioni esatte l’ampiezza deve essere determinata con la massima precisione, osservando la rotazione del piano di oscillazione.

• Imprecisioni durante la regolazione dell’alloggiamen-

to, della centratura dell’anello o dell’ampiezza di oscillazione del pendolo oppure condizioni di installazione non ottimali possono influenzare negativamente la rotazione del pendolo e causare una rotazione più lenta o più veloce.

• Se il pendolo rimane fermo in basso, ciò può essere

causato da vari fattori:

1. Il dispositivo di eccitazione è spento.

2. Il tubo fluorescente è spento.

• Se il filo di sospensione si arrotola potrebbe causare

errori di misurazione. Per evitare tale inconveniente, lasciare pendere liberamente il filo con la sfera per alcune ore.

• Se la lampada di proiezione non si illumina, ciò può

essere dovuto a vari fattori:

1. La lampada di proiezione è spenta.

2. La lampada si è allentata. Estrarre la boccola della lampada con un leggero movimento di rotazione e serrare la lampadina.

3. La lampada è difettosa. Estrarre la boccola della lampada con un leggero movimento di rotazione e sostituire la lampadina.

4. I contatti striscianti non funzionano. Allentare la vite di arresto e spingere leggermente verso il basso l’unità di proiezione del filo, quindi fissarla sotto carico. Se il malfunzionamento persiste, svitare la vite di arresto e rimuovere l’unità di proiezione del filo. Verificare che i contatti striscianti non presentino danni meccanici.

• Se la proiezione del filo non viene coperta dallo scher-

mo, estrarre la boccola della lampada ruotandola leggermente e orientare il fascio luminoso sullo schermo esercitando una pressione radiale sul portalampada. Per eseguire una verifica, appendere la sfera nel cilindro di regolazione. Se la proiezione del filo non copre la linea verticale, è necessario ripetere l’impostazione eseguita in fabbrica. Allentare le due viti di fissaggio del portalampada e spostarlo in direzione orizzontale, finché la proiezione del filo non copre la linea verticale.

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8403000 Péndulo de Foucalt

Instrucciones de uso

4/05 ELWE/ALF

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

El péndulo de Foucalt sirve para la medición cuantitativa y la comprobación cualitativa de la rotación de la tierra.

1. Aviso de seguridad

• ¡El armario de paredes de vidrio no se debe someter

a esfuerzos mecánicos! ¡Peligro de lesiones!

• Se deben tener en cuenta las indicaciones sobre la

instalación (3.1 Montaje).

• Ajuste la excitación eléctrica de tal forma que la masa

no entre en contacto con la pared de vidrio.

2. Descripción, Datos técnicos

En el año de 1851, el francés Jean-Bernard-Leon Foucault mostró por primera vez con un péndulo que la tierra rota sobre sí misma. Para ello, utilizó un péndulo con una masa de 28 kg y un hilo metálico de 67 m de longitud. El péndulo de Foucalt de ELWE es un aparato compacto, en el cual la amplitud de la oscilación se mantiene constante por medio de una excitación continua. Un anillo de Charron (Charron 1931, ver Fig. 2) evita oscilaciones elípticas. En esta forma es posible realizar mediciones de larga duración. Un dispositivo de medición con divisiones angulares en minutos (Fig. 1) permite mediciones exactas en corto tiempo. El armario de ventanales de

Fig. 1: Dispositivo de medida de ángulo

Fig. 2: Anillo de Charron

Fig. 3: Campo de control

1Interruptor central, 2 Fusible, 3 Interruptor de la unidad de impulsión, 4Lámpara de control, 5Regulador de impulso,

6 Interruptor de la lámpara de proyección

vidrio permite a varios observadores seguir al mismo tiempo el cambio del plano de oscilación del péndulo. La unidad se puede manipular durante el experimento sin abrir la puerta del armario. Un ajuste exacto de péndulo de Foucalt se puede realizar sencillamente con el accesorio.

2.1 Funciones básicas

2.1.1 Oscilación continua del péndulo Un electroimán, con campo magnético de simetría radial, se encuentra colocado exactamente en el centro de la trayectoria del péndulo. El campo magnético actúa sólo cuando el péndulo se mueve hacia el punto central. El electroimán se controla por medio de una fotocélula, la cual registra la sombra del movimiento pendular por medio de la luz de una lámpara fluorescente incorporada. El péndulo se excita de tal manera que la amplitud permanece constante (Fig. 4).

Fig. 4

2.1.2 Medición del ángulo de rotación La velocidad angular de la rotación del péndulo ω es

ω = ωe · sin θ

siendo ω

= velocidad angular de la tierra

(= 360° / día = 15° / hora) y θ = ángulo de latitud del lugar de

experimentación. En las latitudes medias, la superficie de oscilación del péndulo gira aprox. de 8° a 13° por hora. El péndulo de

a) b) c)

Foucalt, con su dispositivo de medición (ver Fig. 5), permite realizar mediciones ya después de pocos minutos durante el tiempo de la clase. En la situación de la Fig. 5c se orienta la fuente de luz hasta que la proyección del hilo sobre la pantalla deje de moverse (Fig. 5b). En esta forma se determina exactamente la superficie de oscilación momentánea. Una reducción de la escala de 36:1 permite medir ángulos de menos de 1.

Fig. 5: Medición del ángulo por proyección de sombra (oscilación del péndulo vista desde arriba)

2.1.3 Forma de evitar una oscilación elíptica del

péndulo Durante el experimento, el péndulo de Foucalt debe oscilar en un plano (Fig. 6b). Otros factores, además de la rotación de la tierra, influyen sobre el movimiento giratorio cuando el péndulo empieza a oscilar elípticamente (Fig. 6c). Entonces no se pueden esperar resultados de medida correctos. Para evitar oscilaciones elípticas, se utiliza un anillo en el péndulo de Foucalt (ver Fig. 2). El anillo no influye sobre el plano de oscilación cuando tiene un ajuste óptimo. Éste amortigua componentes de movimiento perpendi-

culares al plano de oscilación en el punto de inversión del movimiento.

2.2 Datos técnicos

Péndulo: Hilo de suspensión: 120 cm Masa metálica del péndulo: 38 mm Ø, 230 g Medición del ángulo: Disco goniométrico: 340 mm Ø, 360° Divisiones: Nonio 0,1°

Proyección del hilo por haz de luz conectable Bombilla incandescente de lente 3,7 V, 0,3 A

a) b) c)

Fig. 6: Evitar oscilaciones elípticas (Oscilación del péndulo vista desde arriba)

Excitación:

Mecanismo de excitación pulsante, electromagnético Fotocélula incorporada para la sincronización Botón para regular la amplitud de la oscilación Lámpara de control para la excitación

Armario:

Armario metálico con paredes de vidrio y puerta: 40 cm x 40 cm x 150 cm 4 pies de ajuste para colocación vertical Iluminación: Lámpara fluorescente

36 W, 50/60 Hz

Alimentación de tensión: 115 V CA o bien 230 V CA,

50/60 Hz Fusible de red: 0,063 A, lento

3.1.3 Ajuste horizontal

• Se inserta el cilindro de ajuste en el dispositivo de

medición y luego de inserta la masa en éste (ver Fig. 8).

• Para el ajuste se giran los pies de ajuste. El ajuste se

hace más sencillo cuando se giran dos pies al mismo tiempo.

• La masa debe colgar exactamente en el centro del

cilindro.

Fig. 8: Ajuste horizontal

3. Manejo

3.1 Montaje

3.1.1 Colocación vertical

• Se coloca el péndulo de Foucalt sobre una base hori-

zontal estable.

• Con las manos, se comprueba si el armario y el anillo

están sometidos a vibraciones. Si se detectan vibraciones, el lugar no es apropiado. Si el piso puede transmitir vibraciones, se busca un sitio que no sea frecuentado directamente por muchas personas. Tenga en cuenta la cercanía de equipos de aire acondicionado u otros aparatos que produzcan vibraciones.

• Evite la irradiación directa del sol, la percepción del

hilo proyectado se hace más difícil, o se puede motivar un funcionamiento erróneo de la fotocélula.

3.1.2 Montaje del péndulo

• Se ajusta en aprox. 3 mm la distancia entre la masa

del péndulo y el electroimán. Esta distancia se logra cuando la masa empieza a tocar el disco de ajuste sobrepuesto (ver Fig. 7). Con distancias mayores el efecto del mecanismo de excitación es muy débil.

• Si la masa cuelga un tiempo largo, se debe compro-

bar la distancia, el hilo se puede alargar de 1 a 2 mm.

Fig. 7: Distancia entre la masa del péndulo y el electroimán

3.1.4 Proyección del hilo

• Después de conectar la lámpara de proyección, con

la masa colgando en el cilindro de ajuste, la proyección del hilo sobre la pantalla debe cubrir la raya vertical.

• Este ajuste de fábrica se debe repetir en caso de un

cambio de la bombilla incandescente (ver 3.3)

3.2 Realización del experimento

• Compruebe si todas las preparaciones descritas en

3.1 se han llevado a cabo.

• Cuando el experimento se debe realizar con las osci-

laciones libres del péndulo, el interruptor para la excitación del péndulo debe estar en «OFF». En este caso la amplitud de la oscilación se reduce a menos de 1/3 en 15 minutos. Las mediciones se deben realizar en este tiempo.

• Si se trabaja con excitación, se observa la amplitud

durante 5 minutos aproximadamete, y si en necesario, se corrige con el botón de ajuste para la excitación.

• La masa del péndulo se desvía de la vertical con la

mano y se suelta. El péndulo debe oscilar en un plano. En caso de que la oscilación sea elíptica se interrumpe el experimento y se empieza otra vez.

• Se cierra la puerta con cuidado.

• Cuando la oscilación es estable, después de un minu-

to, se ajusta el disco goniométrico para que la figura proyectada del hilo concuerde con la línea base.

• La medición del ángulo de giro se realiza en el mo-

mento en que la proyección del hilo sobre la pantalla no se mueva horizontalmente al girar el disco goniométrico de ajuste.

• En caso de que la unidad de proyección del hilo no se

mueva al girar el disco goniométrico de ajuste, se comprueba si el tornillo de apriete está bien asentado.

• El ángulo burdo se lee en la placa base, el ángulo

exacto se lee en la escala goniométrica fina.

3.3 Indicaciones adicionales

• Con el péndulo excitado, la lámpara fluorescente debe

estar conectada porque ésta sirve como fuente de luz para el fotosensor.

• Se debe comprobar que los tornillos de sujeción para

el hilo y la placa anular estén bien asentados porque las mediciones se hacen inexactas cuando la sujeción del hilo tiene un juego (Fig. 9).

Fig. 9

• El centrado del anillo se ha ajustado en fábrica. Si es

necesario realizar un nuevo ajuste, es necesario tener en cuenta los siguientes puntos (Fig. 10):

1. El péndulo se debe orientar con el cilindro de ajuste (ver 3.1.3).

2. Se coloca el anillo de ajuste.

3. Se aflojan los tornillos en la parte inferior del anillo de Charron sin retirarlos totalmente.

4. Se encaja el anillo de ajuste en el centro del anillo de Charron y se mueve el anillo de Charron con

Fig. 10

toques leves, de tal forma que el hilo cuelgue en el centro del anillo de ajuste.

5. Se aprietan los tornillos sin mover el anillo.

• Al cambiar el hilo de suspensión, es necesario tener

en cuenta que la placa de suspensión para el hilo no se mueva, lo cual tendría como consecuencia un nuevo ajuste del anillo. En lo posible, se debe cambiar el hilo junto con sus tornillos de suspensión.

• Cuando la amplitud de la oscilación del péndulo no

se puede ajustar bien, el plano del péndulo puede girar ya sea muy rápida o muy lentamente. Para mediciones precisas, se determina la amplitud más apropiada observando el giro del plano de oscilación del péndulo.

• La inexactitud en el ajuste del armario, en el centrado

del anillo o en la amplitud de la oscilación, o una mala instalación del armario, pueden influir persistentemente sobre la rotación del péndulo y conducir a una rotación muy lenta o muy rápida del plano de oscilación.

• Cuando el péndulo se detiene en su punto inferior, se

pueden tener las siguientes razones:

1. La excitación está desconectada.

2. La lámpara fluorescente está apagada.

• Las torsiones del hilo de suspensión pueden condu-

cir a errores en la medición. Para evitar una torsión, se deja colgar libremente durante unas horas el hilo de suspensión junto con la masa.

• Cuando la lámpara de proyección no ilumina, esto

puede deberse a las siguientes razones:

1. La lámpara de proyección no está encendida.

2. La bombilla está floja. Se retira el casquillo de la lámpara con una movimiento leve y se aprieta la bombilla.

3. La bombilla incandescente está quemada. Se retira el casquillo de la lámpara con un movimiento leve y se cambia la bombilla.

4. Los contactos deslizantes no tienen contacto. Se aflojan los tornillos de fijación y se presiona hacia abajo la unidad de proyección del hilo. Se la mantiene bajo presión al fijarla. Si continua la función errónea se afloja el tornillo de fijación y se retira la unidad de proyección del hilo. Se comprueba si los contactos deslizantes tienen un daño mecánico.

• Si la proyección del hilo no se puede llevar a cubrir

con la pantalla, se retira el casquillo de lámpara con una rotación leve y se orienta el haz de luz hacia la pantalla haciendo presión radial sobre el casquillo de la lámpara. Para comprobar, se cuelga la masa en el cilindro de ajuste. En caso de que la proyección del hilo no cubra la raya vertical se vuelve a realizar el ajuste de fábrica. Se aflojan los tornillos de apriete del casquillo de la lámpara y se desplaza el casquillo de la lámpara, en dirección horizontal, hasta que la proyección del hilo cubra la raya vertical.

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8403000 Pêndulo de Foucault

Manual de instruções

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PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

O pêndulo de Foucault serve para a medição quantitativa e a demonstração qualitativa da rotação da Terra.

1. Indicações de segurança

• Não sujeitar a caixa de vidro a qualquer esforço me-

cânico. Esta pode quebrar representando perigo de ferimento!

• Respeitar as instruções de montagem (3.1 Monta-

gem).

• Ajustar a excitação elétrica de modo que a esfera não

entre em contato com o vidro.

2. Descrição, dados técnicos

No ano de 1850 o francês Foucault demonstrou pela primeira vez com um pêndulo que a Terra gira sobe o seu eixo. Ele utilizou para isto um peso de 28 kg e 67 m de comprimento. O pêndulo de Foucault da ELWE é um aparelho compacto, no qual a amplitude do pêndulo é mantida constante através de uma excitação contínua. Um anel de Charron (ver fig. 2) impede um movimento elíptico. Desse modo, é possível efetuar medições de longa duração. Um dispositivo de medição com divisão em minutos angulares (fig. 1) torna possível medições precisas em pouco tempo. A estrutura oferece boa visibilidade de todos os lados e permite assim que vários obser-

Fig. 1: Dispositivo de medição angular

Fig. 2: Anel de Charron

Fig. 3: Painel de controle

1Interruptor principal, 2 fusível, 3Comutador da unidade motora, 4Lâmpada de controle, 5Regulador de impulso,

6 Comutador da lâmpada de projeção

vadores percebam simultaneamente as variações na direção da oscilação. O aparelho pode ser operado durante o ensaio sem necessidade de abrir a porta. Com os acessórios, o ajuste do pêndulo de Foucault é fácil de realizar.

2.1 Funções básicas

2.1.1 Oscilação contínua do pêndulo Um ímã eletromagnético com campo magnético simétrico radial encontra-se montado exatamente no meio do percurso do pêndulo. O ímã só tem efeito quando o pêndulo se dirige em direção ao ponto mediano. O ímã eletromagnético é controlado por uma célula fotossensível que registra a sombra do pêndulo produzida pela luz de uma lâmpada fluorescente integrada no aparelho. O pêndulo é assim excitado de modo que a sua amplitude continua constante(Fig. 4).

Fig. 4

2.1.2 Medição do ângulo de rotação A velocidade angular de rotação ω do pêndulo é de

ω = ωe • sin θ

sendo ω

= velocidade angular da Terra

(= 360° / dia = 15° / hora) e θ = latitude do local da experiência.

Em latitudes médias o plano pendular gira em aproximadamente 8°a 13° por hora. Com o seu dispositivo de

a) b) c)

medição (veja fig. 5) o pêndulo de Foucault permite efetuar medições mesmo em poucos minutos de tempo de aula. Na situação representada na figura 5c, deslocar a fonte luminosa até que a projeção da linha na tela esteja imóvel (fig. 5b). Deste modo, o plano pendular momentâneo está definido com precisão. Colocando a escala de 36:1 por baixo permite a medição de ângulos de menos de 1°.

Fig. 5: Medição de ângulo por projeção de sombra (oscilação do pêndulo vista de cima)

2.1.3 Impedimento de uma oscilação elíptica do pêndulo

Na experiência, o pêndulo deve oscilar num só plano (fig. 6b). Quando o pêndulo começa a oscilar elipticamente (fig. 6c), além da rotação terrestre outros fatores influenciam o seu movimento de rotação. Neste caso, não se podem esperar resultados corretos da medição. Para evitar oscilações elípticas no pêndulo de Foucault, utiliza-se um anel (ver fig. 2). O anel não influi o plano pendular quando este é ideal. Ele reduz, porém, um componente do movimento na vertical do movimento do pêndulo no ponto de inversão de sentido.

2.2 Dados técnicos

Pêndulo: Comprimento do fio de sustentação: 120 cm Esfera de metal do pêndulo: 38 mm Ø, 230 g Medição de ângulo: Disco angular: 340 mm Ø, 360° Divisão: Nonius 0,1°

Projeção de linha por feixe luminoso Lâmpada incandescente de lente: E10 3,7 V, 0,3 A

a) b) c)

Fig. 6: Impedimento de oscilações elípticas (oscilação do pêndulo vista de cima)

Excitação:

Mecanismo de excitação pulsante, eletromagnético Célula fotossensível para a sincronização Botão para o ajuste da amplitude Lâmpada de controle para a excitação

Armação:

Armação de metal com vidro e porta: 40 cm x 40 cm x 150 cm 4 pés de ajuste para a instalação a prumo Iluminação: tubos fluorescentes

36 W, 50/60 Hz

Alimentação elétrica: 115 V ou 230 V, 50/60 Hz Fusível de rede: 0,063 A, passivo

3.1.3 Ajuste horizontal

• Inserir o cilindro de ajuste no dispositivo de medição

e logo colocar a esfera o pêndulo nele (ver fig. 8).

• Para ajustar, girar os pés de ajuste. A regulagem é

mais fácil de efetuar se dois pés são girados ao mesmo tempo.

• A esfera deve estar pendurada exatamente no meio

do cilindro.

3. Utilização

3.1 Montagem

3.1.1 Instalação

• Colocar o pêndulo de Foucault numa superfície hori-

zontal de base estável.

• Verificar com a mão se a armação e o anel vibram.

Caso seja percebida alguma vibração, o local é inadequado. Em caso que o chão seja instável deve-se procurar um local onde não haja passagem freqüente de pessoas. Levar especialmente em conta a presença de aparelhos de ar condicionado ou de outros aparelhos que produzam vibração.

• Evitar a exposição direta ao sol, já que isto pode difi-

cultar a visibilidade da linha projetada ou provocar disfunção da célula fotossensível.

3.1.2 Montagem do pêndulo

• Ajustar a distância entre a esfera do pêndulo e o ímã

eletromagnético em aproximadamente 3 mm. Esta distância é atingida quando a esfera toca ligeiramente o disco de ajuste (ver fig. 7). Em caso de distância excessiva, o efeito do dispositivo de excitação será mais fraco.

• Caso a esfera fique pendurada por um período mais

longo, deve-se verificar a distância, já que a linha pode se distender em até 1 a 2 mm.

Fig. 8: Ajuste horizontal

3.1.4 Projeção de linha

• Após ligar a lâmpada de projeção com a esfera pen-

durada no cilindro de ajuste, a projeção de linha na tela deve cobrir o traço vertical.

• Esta regulagem de fábrica deve ser efetuada nova-

mente em caso de substituição da lâmpada (ver 3.3)

3.2 Execução da experiência

• Controlar se todas as preparações descritas em 3.1

foram executadas.

• Caso a experiência seja realizada só com a oscilação

natural do pêndulo, o comutador da excitação do pêndulo deve estar em „AUS“. Neste caso, a oscilação do pêndulo reduz-se a menos de 1/3 em 15 min. As medições devem ser efetuadas dentro desse intervalo.

• Se for operado com excitação, a amplitude deve ser

observada aproximadamente 5 min e, caso necessário, corrigida com o botão de ajuste da excitação.

• Deslocar a esfera do pêndulo com a mão e solta-lo. O

pêndulo deve oscilar num plano. Se ele oscilar em elipse, interromper o ensaio e recomeçar.

• Fechar cuidadosamente a porta.

• Quando a oscilação estiver estável, após vários mi-

nutos, colocar o disco de medição angular de forma que a imagem projetada da linha coincida com a linha de base.

• A medição do ângulo de torção é feita no ponto em

que a projeção de linha na tela não se mexe mais horizontalmente quando o disco de ajuste de ângulo é girado.

• Caso a unidade de projeção de linha não se mova ao

girar o disco de ajuste de ângulo, deve-se verificar a firmeza do parafuso de fixação.

Fig. 7: Distância entre a esfera do pêndulo e o ímã eletromagnético

• Ler o ângulo aproximado na placa base e o ângulo

exato na escala de medição fina de ângulo.

3.3 Outras indicações

• Com o pêndulo excitado, a o tubo fluorescente deve

estar ligado, da que este serve de fonte luminosa para o sensor fotossensível.

Fig. 9

• A firmeza dos parafusos de fixação da linha e da pla-

ca do anel deve ser verificada, já que as medições tornam-se inexatas se a fixação está frouxa. (Fig. 9).

• A centragem do anel foi ajustada na fábrica. Caso seja

necessário um novo ajuste, os seguintes itens devem ser levados em conta (Fig. 10):

1. O pêndulo deve ser instalado com o cilindro de

ajuste (ver 3.1.3).

2. Colocar o anel de ajuste.

3. Soltar os parafusos da parte inferior do anel de

Fig. 10

Charron sem no entanto extraí-los completamente.

4. Inserir o anel de ajuste no meio do anel de Charron e movê-lo dando leves golpes de forma que a linha esteja pendurada exatamente sobre o centro do anel de ajuste.

5. Apertar os parafusos sem deslocar o anel.

• Ao trocar a linha de sustentação da esfera deve-se

prestar atenção para que a placa de sustentação da linha não seja deslocada, já que isto exigiria um novo ajuste do anel. A linha deve ser trocada, caso possível, com o seu parafuso de fixação.

• Quando a amplitude do pêndulo não está ajustada

exatamente, o plano pendular pode vir a girar rápido demais ou lentamente demais. Para medições de precisão determina-se a amplitude ideal observando a torção do plano pendular.

• Imprecisões no ajuste da armação, na centragem do

anel ou na amplitude do pêndulo ou condições de montagem insuficientes podem influenciar negativamente a torção do pêndulo e levar a uma torção muito rápida ou lenta demais.

• Se o pêndulo permanece imóvel abaixo, isto pode ter

as seguintes causas:

1. A excitação está desligada.

2. O tubo fluorescente está desligado.

• O enrolamento da linha de sustentação pode trazer

erros de medição. Para eliminar todo enrolamento, a linha e a esfera do pêndulo devem ficar pendurados por várias horas.

• Se a lâmpada de projeção não funciona, isto pode ter

as seguintes causas:

1. A lâmpada de projeção não está ligada.

2. A lâmpada está frouxa. Retirar a cápsula da lâmpada com um leve movimento giratório e fixar a lâmpada.

3. A lâmpada está com defeito. Retirar a cápsula da lâmpada com um leve movimento giratório e trocar a lâmpada.

4. Os contatos não contactam. Soltar o parafuso de fixação e empurrar a unidade de projeção de linha levemente para abaixo e fixa-la enquanto se a pressiona. Em caso de outros falhos operacionais, soltar o parafuso de fixação e retirar a unidade de projeção de linha. Verificar se os contatos sofreram algum dano mecânico.

• Se não for possível coincidir a projeção da linha com

a tela, então retira-se a cápsula da lâmpada com um leve movimento giratório e dirige-se o feixe luminoso para a tela por meio de pressão radial sobre a rosca da lâmpada. Pendurar a esfera no cilindro de ajuste para verificação. Caso a projeção de linha não coincida com o traço vertical, deve-se efetuar o ajuste de fábrica novamente. Soltar os dois parafusos de fixação da rosca da lâmpada e virar a rosca da lâmpada na posição horizontal até que a projeção de linha cubra o traço vertical.

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