Оборотный маятник

Pause

Оборо́тный ма́ятник (маятник Катера) — физический маятник, конструкция которого позволяет с высокой точностью определять ускорение свободного падения g путём измерения только двух величин — периода малых колебаний и расстояния между двумя опорными призмами. Прибор был предложен английским физиком Генри Катером в 1817 году и на протяжении более чем столетия оставался основным инструментом гравиметрических измерений[1][2].

Общие сведения
оборотный маятник
Область использования механика при определении ускорения свободного падения
Дата появления 1817
Автор понятия Генри Катер
Базовые понятия физический маятник, центр масс, момент инерции

Устройство

Классический оборотный маятник представляет собой длинный жёсткий металлический стержень, вдоль которого закреплены два обращённых внутрь опорных ножа-призмы O1 и O2. Расстояние между рабочими рёбрами призм фиксировано и измеряется заводским способом с точностью до сотых долей миллиметра. Между призмами на стержне находятся два груза: массивный неподвижный (обычно закреплённый вблизи одного из ножей) и меньший подвижный, положение которого можно плавно изменять с помощью микрометрического винта. Маятник устанавливается острым ребром одной из призм на горизонтальную опорную площадку и совершает свободные колебания в вертикальной плоскости[3][4].

Ключевая особенность устройства состоит в том, что маятник можно перевернуть и подвесить на любую из двух призм: именно этот «оборот» и дал прибору название.

Теория колебаний физического маятника

Период и приведённая длина

Физический маятник — твёрдое тело, совершающее колебания под действием силы тяжести вокруг горизонтальной оси, не проходящей через его центр масс. При малых углах отклонения его период колебаний равен:

где I — момент инерции тела относительно оси подвеса, m — масса, a — расстояние от точки подвеса до центра масс C[2].

Введём величину приведенной длины физического маятника, определяемой по формуле:

Тогда период запишется в виде:

совпадающем с формулой периода математического маятника длиной l. Иначе говоря, физический маятник колеблется с той же частотой, что и математический маятник, длина подвеса которого равна его приведённой длине[2][5].

Точка, лежащая на прямой, проходящей через точку подвеса и центр масс, на расстоянии l от точки подвеса, называется точкой качания (или центром качаний). Она находится по другую сторону от центра масс относительно точки подвеса.

Теорема Гюйгенса о взаимности точки подвеса и точки качания

Основой действия оборотного маятника является теорема Гюйгенса о сопряжённых точках физического маятника: точка подвеса и точка качания являются взаимно сопряжёнными. Это означает, что если маятник подвесить не за исходную точку подвеса O1, а за точку качания O2, то период его малых колебаний не изменится, а прежняя точка подвеса O1 сделается новой точкой качания[2][5].

Доказательство проводится с использованием теоремы Гюйгенса — Штейнера для момента инерции: I = IC + m a2, где IC — момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс. Подставляя это выражение в формулу для приведённой длины и рассматривая обращённую подвеску, получают, что расстояние от точки O2 до центра масс равно l − a = IC/(m a), а приведённая длина, вычисленная от точки O2, вновь оказывается равной l[2].

Таким образом, если для маятника найдены две сопряжённые точки O1 и O2, то расстояние L0 между ними равно приведённой длине маятника, а период колебаний вокруг любой из них — периоду того же математического маятника длиной L0.

Методика измерения ускорения свободного падения

Идея метода Катера состоит в следующем. Маятник поочерёдно подвешивают за каждую из двух опорных призм O1 и O2 и измеряют соответствующие периоды колебаний T1 и T2. Точным перемещением подвижного груза вдоль стержня добиваются равенства T1 = T2 = T. По теореме Гюйгенса это означает, что расстояние между рёбрами призм совпадает с приведённой длиной физического маятника L0[3][6].

Тогда ускорение свободного падения вычисляется по формуле:

Расстояние L0 между призмами измеряется заранее с высокой точностью механическими средствами (компаратором) и служит паспортной характеристикой прибора. Период T находят по измерению суммарного времени большого числа колебаний (обычно от 100 до нескольких тысяч), что позволяет уменьшить относительную погрешность периода до величин порядка 10−5—10−6[4][3].

На практике добиться абсолютного равенства T1 = T2 затруднительно, поэтому строят графики зависимостей T1(x) и T2(x) от координаты подвижного груза x, а искомый период отыскивают как ординату точки их пересечения[3]. Ф. В. Бессель в 1826 году показал, что точного совпадения периодов вообще можно не добиваться: при малом их различии значение g вычисляется через T1, T2 и обе половины приведённой длины по интерполяционной формуле.

Почему оборотный маятник точнее математического

Формула периода математического маятника T = 2π√(l/g) требует знания длины подвеса. Реализовать «идеальный» математический маятник — точечную массу на невесомой нерастяжимой нити — экспериментально невозможно: у реального грузика конечные размеры, нить имеет массу и растягивается, а сам грузик колеблется и как физический маятник вокруг точки крепления к нити[4].

Для произвольного физического маятника формула T = 2π√(I/mga) содержит момент инерции I, который для тела сложной формы измеряется с большой погрешностью. Ключевое преимущество оборотного маятника состоит в том, что момент инерции полностью исключается из расчётной формулы: при равенстве периодов на обеих призмах приведённая длина заменяется непосредственно измеряемым геометрическим расстоянием между ножами[4][2]. Массу маятника и период его колебаний, в свою очередь, можно измерить с очень высокой относительной точностью, поэтому суммарная погрешность определения g снижается на несколько порядков по сравнению с методом математического маятника.

История

Идея использовать симметричный обратимый маятник для абсолютных измерений g была высказана ещё на рубеже XVIII—XIX веков французским учёным Г. Прони и, независимо, И. Г. Бором, однако практическое воплощение эта идея получила лишь в 1817 году, когда английский физик и капитан армии Генри Катер изготовил первый работающий прибор и опубликовал результаты в 1818 году в «Philosophical Transactions of the Royal Society»[1]. Уже в первом эксперименте Катер определил длину секундного маятника в Лондоне с точностью около 7 мкм, что соответствует относительной погрешности измерения g около 7·10−6 (7 мГал). В британском законе о мерах и весах 1824 года ярд определялся материальным эталоном; отношение ярда к длине секундного маятника, полученное по измерениям Катера, было указано как способ восстановления эталона в случае его утраты[7].

В 1826 году Ф. В. Бессель существенно усовершенствовал метод: он показал, что от точного равенства периодов на двух ножах можно отказаться, ввёл симметричную конструкцию маятника с внутренней асимметрией масс (что позволяло скомпенсировать погрешности от сопротивления воздуха), а также предложил взаимозаменяемые ножи для устранения систематической ошибки, связанной с ненулевым радиусом закругления рёбер. Такой прибор получил название маятника Бесселя.

На протяжении всего XIX и первой трети XX века оборотные маятники Катера и Бесселя оставались главным инструментом абсолютной гравиметрии и участвовали в крупнейших геодезических экспедициях — от индийской «Великой тригонометрической съёмки» до русских измерений на Шпицбергене и в Пулкове. Значительный вклад в развитие маятниковых гравиметрических измерений в России внёс академик А. Я. Купфер — основатель Депо образцовых мер и весов, применявший оборотный маятник для сравнения силы тяжести в Санкт-Петербурге и других пунктах Российской империи.

Точность и практические применения

Достигнутая Катером относительная точность 7·10−6 уже в первой половине XIX века оказалась более чем достаточной для экспериментального подтверждения предсказанной И. Ньютоном и А. К. Клеро зависимости g от географической широты: разница между экватором и полюсом составляет около 0,5 % (примерно 5000 мГал), тогда как чувствительность прибора Катера была на три порядка выше. С помощью маятников Катера — Бесселя была уточнена фигура Земли и её полярное сжатие.

В усовершенствованном виде (маятники фон Штернека, четырёхмаятниковые приборы фирмы «Аскания» и др.) прибор позволял к началу XX века измерять g с относительной точностью до 10−7, что дало возможность выявлять и более тонкие эффекты — гравитационные аномалии, связанные с геологическим строением недр (залежи руд, соляных куполов и углеводородов), а также рельефом местности и распределением плотностей в земной коре[4][5]. На этой основе маятниковая гравиметрия стала важным методом разведочной геофизики и опорных геодезических сетей.

С 1930-х годов в полевой гравиметрии оборотные маятники были постепенно вытеснены пружинными относительными гравиметрами, а с 1970-х — баллистическими (лазерно-интерференционными) абсолютными гравиметрами, дающими точность до 10−9. Тем не менее оборотный маятник и по сей день остаётся классическим и наглядным лабораторным прибором для изучения теории колебаний и измерения g в учебных физических практикумах высших учебных заведений[3][5][4].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Kater H. An account of experiments for determining the length of the pendulum vibrating seconds in the latitude of London // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. — 1818. — Vol. 108. — P. 33—102. — DOI.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том I. Механика. — 5-е изд., стереотип.. — М.: Физматлит, 2010. — С. 220—224.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 Определение ускорения свободного падения с помощью оборотного и математического маятников. Методические указания к лабораторной работе № 5. Уральский федеральный университет. Дата обращения: 8 августа 2026.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 Изучение оборотного маятника. Методические указания № 1-42. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Дата обращения: 8 августа 2026.
  5. ↑ 1 2 3 4 Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного маятника. Лабораторная работа № 117. Физический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова. Дата обращения: 8 августа 2026.
  6. ↑ Парфентьева Н. А., Андреева Н. В. Определение ускорения свободного падения с помощью математического и оборотного маятников // Международный студенческий научный вестник. — 2016. — № 3—1. — PDF-файл.
  7. ↑ Weights and Measures Act 1824. The National Archives. Дата обращения: 8 сентября 2026.

Литература

  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том I. Механика. — 5-е изд., стереотип. — М.: Физматлит, 2010. — 560 с. — С. 220—224. — PDF.
  • Определение ускорения свободного падения с помощью оборотного и математического маятников: методические указания. — Екатеринбург: УрФУ, 2016. — PDF.
Pause