フーコーの振り子

フーコーの振り子を北極に持っていくと一日で一回転することはすぐにイメージできる。そして赤道に持っていくと、変化しないこともイメージできる。
では、その間の緯度だったらどうなるのだろうか?
当然、「24時間で一回転」(北極=緯度90)から突然「変化0」(緯度0=赤道)に変わるわけではないだろうから、少しずつ変化しているに違いない。
では、どのように変化するのだろうか?
それをシュミレーションしてみた。

この図では反対側に来た時に角度が元にもどってしまう。
つまり見かけの角度が一定ではないのだ。
なぜだろう?

この図だと地球の反対側に来た時から角度がだんだん少なくなる。
当然振り子の見かけの運動は一回転しない。
これはどう考えたらいいのだろうか?

Eを北極に持っていくと、反対側で角度が回転することに気がつく。
そのイメージで別の緯度でも回転していると思うのだけど・・・
角度と正弦則による振り子の周期が合わない。何かおかしいと感じる。

そこでウィキペディアに出ていた円錐をかぶせてみた。
これだと北極への地平線のイメージができる。
さらに地球の回転もイメージできる。

まず、円錐をかぶせた時の緯度と円錐の頂点の角度を求めなくてはいけない。
これだけで一時間かかってしまった。
これで緯度や経度がイメージできる。

こうやっていろいろシュミレーションしていてようやくわかってきた。
北の方向と振り子方向の角度で考えていたので、かえってわからなくなっていた。
振り子の方向と北の方向とのなす角度は、円錐の頂点と弧のなす角度に等しくなる。(平行だから錯角が等しい)

でも、地球の回転は一定なのに、ふりこの変化の角度が一定ではない。
しかも180度からだんだん小さくなる。
これはどう考えたらいいのだろうか。
地上に立って考えると、角度はとても小さい。でも、こう大きくすると違ってくる。
(元の方向を地面に射影したけど、それは大きくずれてくる)
そうだ、これは小さな弧EFで考えなければいけない。
(弧EFで考えると角度の変化の積分が自然にできる)
つまり微分積分で考えなくてはならないのだ。
それを北極での様に実際の角度で表そうと考えた所が間違いだったのだ。

このことに注目すると、この角度を円錐の弧のなす角度で考えることができる。
そして一回転は円錐の扇形になる。
地球の一回転は、扇形の中心角を回転することなのだ。(つまり360°ではない)
しかも扇形の角速度と考えれば自転と同様に速度は一定になる。

そして、24時間で扇形の角度を変化するのだから、360度だと何時間かかるか比例で求まる。1:sin(α)=x:24h

この問題は実に難しかった。まだ完全に理解していないかもしれない。

こうやっていろいろ試しているとおかしいことに気がつく。
そこで図を修正する。つまり考え方(思い込み)を修正する。
さらに図を描くだけではなく、このように文章を書いていると気づきが出てくる。
こうやって少しずつ理解が深まってくる。

 

同窓会が終わった後、ホテルに泊まって遅くまで話した。
その晩目は閉じだのだけれど眠れない。
朝まで眠ることができなかった。
次の日はいつもの通院で運転をパートナーに変わってもらった。