FOUCAULT E IL PENDOLO:
"Fu allora che vidi il Pendolo.
Io sapevo… che il periodo era regolato dal rapporto tra la radice quadrata della lunghezza del filo e quel numero pi greco che, irrazionale alle menti sublunari, per divina ragione lega necessariamente la circonferenza al diametro di tutti i cerchi possibili, così che il tempo di quel vagare di una sfera dall’uno all’altro polo era effetto di una arcana cospirazione tra le più intemporali delle misure, l’unità del punto di sospensione, la dualità di una astratta dimensione, la natura ternaria di pi greco, il tetragono segreto della radice, la perfezione del cerchio".
(Umberto Eco, Il pendolo di Foucault)
Questo passo di uno dei più noti romanzi di Eco descrive, non senza suggestioni letterarie, uno dei più importanti esperimenti che hanno contribuito allo sviluppo dell’astronomia e della fisica moderna e che costituisce la prova più evidente della rotazione della Terra attorno al suo asse.
JEAN BERNARD LÉON FOUCAULT: LA VITA
Léon Foucault nacque il 18 settembre 1819 a Parigi.
Fin da giovane venne indirizzato dal padre, editore, agli studi di medicina, ma dopo non molto tempo emerse una spiccata propensione per la fisica.
Possiamo individuare tra i suoi primi oggetti di studio inizialmente la dagherrotipia (il precursore della nostra fotografia, presentata nel 1839) e successivamente l’anatomia microscopica, lavorando come assistente di Alfred Donnè.
Possiamo poi così elencare i contributi fondamentali ed i successi che Foucault riportò nel campo della ricerca scientifica nel periodo successivo della sua esistenza:
Alcuni esperimenti praticati assieme a Fizeau sul confronto fra l'intensità della luce del sole e quella emessa dall'arco elettrico che scocca fra due elettrodi in carbone nella lampada ad arco e quella della fiamma ossidrica
La redazione di due articoli pubblicati negli anni 40 sui Comptes Rendus riguardo al funzionamento di un regolatore elettromagnetico per lampade ad arco elettrico e riguardo alla visione binoculare.
La pubblicazione sul Journal des Débats, a partire dalla metà degli anni dei verbali degli incontri settimanali dell’Accademia delle Scienze.
L’esperimento compiuto con uno specchio girevole nel 1850, che lo portò a dimostrare che la velocità di propagazione della luce nell'aria è maggiore che nell'acqua. Definì, inoltre, il rapporto di proporzionalità inversa tra la velocità della luce e l’indice di rifrazione del mezzo attraverso il quale essa si propaga.
L’esperimento del pendolo del 1851, di cui parleremo diffusamente in seguito, che gli valse, quattro anni più tardi, la medaglia Copley da parte della Royal Society di Londra e la nomina di assistente in fisica dell'osservatorio imperiale di Parigi.
L’individuazione di quelle che oggi chiamiamo Correnti di Foucault, responsabili del riscaldamento di un disco di rame in rotazione, posto all’interno dei poli di un magnete.
La nomina, agli inizi degli anni sessanta, a membro del "Bureau des Longitudes". Foucault verrà inoltre insignito della Legion d'onore.
L’ingresso, nel 1865, nella sezione di meccanica della Royal Society, di cui diventa membro.
La pubblicazione, nel medesimo anno, di un articolo sul regolatore di velocità inventato da Watt.
Alcuni studi sulla deposizione di uno strato di argento sulla faccia esterna della lente da telescopio per poter osservare il sole senza alcun danno per gli occhi.
La nomina, nel 1845, a redattore capo della sezione scientifica del "Journal des Débats".
Dopo una lunga vita al servizio della scienza e del progresso, la sua esistenza si spense l’11 febbraio 1868 a Parigi a causa di una sclerosi multipla.
L’ESPERIMENTO DEL PENDOLO
La spiegazione del moto relativo presente tra noi e le stelle è sempre stato, in passato, uno degli obiettivi costanti della scienza.
Le spiegazioni fornite in passato sono state molto controverse.
Mentre Copernico attribuiva alla Terra un movimento di 24 h in senso antiorario, senza però motivarlo opportunamente, la Chiesa, cattolica e protestante, attribuiva il movimento alla volta celeste.
Hooke, alla luce dei principi della dinamica illustrati da Newton, fu il primo a introdurre una metodologia di dimostrazione della rotazione terrestre basata su prove dirette ed interne, completamente svincolate, cioè, da osservazioni astronomiche.
Guglielmini, nel 1791, lasciò cadere dalla Torre degli Asinelli di Bologna alcune palle pesanti, osservando come queste raggiungessero il suolo in punti tutti spostati verso Est rispetto al piede della verticale.
L’esperimento del pendolo fu volto a dare prova della rotazione terrestre per effetto della forza di Coriolis e a dimostrare quindi che il nostro pianeta costituisce un sistema non inerziale.
La caduta dei gravi sulla Terra è sostanzialmente influenzata da due forze.
La prima è ovviamente la forza di gravità.
La seconda, diretta perpendicolarmente alla direzione del moto, è una forza apparente, motivata dal fatto che la Terra, non essendo immobile, ruota intorno al suo asse da Ovest a Est. Essa prende il nome di forza di Coriolis e viene così espressa: 
Essendo apparente, essa esiste solo dal momento che il sistema di riferimento non è fermo, ma in rotazione, ed agisce solo su quei corpi che si muovo rispetto al sistema. Quando la forza di Coriolis agisce per un lungo intervallo di tempo associata al movimento di rotazione terrestre, la traiettoria di un punto in movimento si curva lentamente verso destra nell'emisfero settentrionale, dal momento che il nostro pianeta, osservato da sopra il Polo Nord, ruota in senso antiorario, e verso sinistra nell'emisfero meridionale.
L’esperimento si basa sulla proprietà del pendolo di conservare il proprio piano di oscillazione quando è soggetto alla sola forza di gravità.
Nel 1851, Foucault sospese alla cupola del Pantheon di Parigi un pendolo dalla lunghezza di 68 metri e con una sfera terminale di 28 kg, che presentava una punta.
Queste caratteristiche permettevano al pendolo di oscillare per un tempo lungo.
La punta della sfera tracciava sul pavimento coperto di sabbia delle tracce che mettevano in evidenza una rotazione del piano di oscillazione del pendolo in senso orario.
Per rispettare le leggi d'inerzia il piano di oscillazione del pendolo deve rimanere inalterato, ma i parigini videro il pendolo che lentamente cambiava direzione.
Questa rotazione del piano di oscillazione si completava in 31 ore, 47 minuti e 40 secondi.
Dal momento che le leggi della fisica assicurano che un pendolo, vincolato in modo non rigido al sistema, conserva inalterato nel tempo il suo piano di oscillazione, a ruotare è dunque la Terra, in senso antiorario.
Viene tuttavia ora da chiedersi come mai questo tempo di rotazione apparente del piano di oscillazione non coincida con la durata del giorno sidereo (il tempo impiegato dalla Terra per compiere una rotazione, pari a 23 ore, 56 minuti e 4 secondi).
Questo fenomeno dipende dalla collocazione di questo piano rispetto all’asse di rotazione terrestre.
La seguente formula:
mette in relazione l’angolo di cui ruota il piano di oscillazione del pendolo nel corso di un giorno sidereo alla latitudine del luogo.
Ai poli (latitudine = 90°), l’angolo risulterà di 360° e quindi nel corso di un giorno sidereo l’apparente rotazione sarà completa.
All’equatore (latitudine = 0°), l’angolo risulterà di 0° e questo vale a dire che piano di oscillazione rimarrà fisso.
L’angolo di rotazione visibile del piano di oscillazione è dunque proporzionale alla latitudine del luogo.
La rotazione avviene in senso orario nell'emisfero boreale e in senso antiorario nell'emisfero australe.
Scrive Foucault, a proposito della sua esperienza:
"Il fenomeno si sviluppa con calma: è fatale, irreversibile....Si sente, vedendolo nascere e intensificarsi, che non è possibile per lo sperimentatore affrontarne o ritardarne la manifestazione.....
.....Ogni uomo davanti ad un tale fatto....per qualche istante rimane pensoso e silenzioso e si ritira quindi recando in sè il senso pressante e vivissimo del nostro incessante movimento nello spazio."
(Dimostrazione sperimentale del movimento di rotazione della Terra, Journal des Debats, 31 marzo 1851).
Questo esperimento venne nuovamente realizzato nel 1931 a San Pietroburgo, con un pendolo di 93 metri 54 kg, attaccato alla cima della cupola della cattedrale di Sant’Isacco.
Le oscillazioni erano ampie 5 metri e avvenivano 20 secondi, con uno spostamento di 6 millimetri della punta del pendolo ad ogni oscillazione, così che in 1 o 2 minuti si poteva realizzare che la Terra ruota realmente attorno al suo asse polare.
Il pendolo di Foucault è stato oggi ricreato in numerosi musei.
La sua realizzazione, al fine di evitare anche minuscole imperfezioni che possano causare errori nell’oscillazione, deve essere totalmente esente da errori.
A tutto ciò si aggiunge il rallentamento dell’oscillazione causato dall’attrito dell’aria, problema risolto mediante l’utilizzo di un elettromagnete.
Questa immagine ritrae una ricostruzione del funzionamento del suddetto pendolo presente nel laboratorio di fisica del nostro liceo.
Da notare come, in conferma di quanto detto finora, facendo ruotare il supporto circolare, le oscillazioni rimangano complanari.