Foucaultsches Pendel

Funktion am Nordpol der Erde

Veranschaulichung der Pendelbahn auf der Südhalbkugel. Zur Verdeutlichung der Bahn ist eine „Sandspur“ eingezeichnet. Im Hintergrund ein Porträt von Jean Bernard Léon Foucault

Ein foucaultsches (auch: Foucault’sches) Pendel ist ein langes Fadenpendel mit einer großen Pendelmasse, mit dessen Hilfe die Erdrotation anschaulich nachgewiesen werden kann.

Versuche und Beschreibung

Am 3. Januar 1851 führte der französische Physiker Jean Bernard Léon Foucault im Keller seines Hauses einen Versuch durch, bei dem er ein zwei Meter langes Pendel in Bewegung setzte. Es pendelte dicht über dem Boden und schien dabei im Verlauf der Zeit seine Richtung zu ändern. Da eine äußere auf das Pendel einwirkende Kraft auszuschließen war, war es nicht das Pendel, sondern der Boden (also die Erde), der seine Richtung änderte, d. h. die durch die Erdrotation auftretenden Scheinkräfte der Corioliskraft.

Am 3. Februar 1851 führte Foucault den Versuch in der Pariser Sternwarte mit einem 12 Meter langen Pendel und am 26. März 1851 im Panthéon mit einem 67 Meter langen Pendel mit einem 28 Kilogramm schweren und 60 Zentimeter Durchmesser umfassenden Pendelkörper der Öffentlichkeit vor. Am unteren Ende des Pendelkörpers befand sich eine Spitze, die mit jeder Schwingung eine Spur in einem Sandbett am Kirchenboden markierte. Hiermit wurde ein laientauglicher Nachweis der Erdrotation vorgelegt. Seit diesem Zeitpunkt wird dieser Versuch foucaultscher Pendelversuch genannt, obwohl vergleichbare Versuche bereits 1661 vom italienischen Physiker Vincenzo Viviani durchgeführt worden waren.

Die aufsehenerregenden Experimente wurden später von Garthe im Kölner Dom und von Schwerd im Dom zu Speyer wiederholt. Die Ergebnisse waren qualitativ nicht zufriedenstellend. Heike Kamerlingh Onnes wies in seiner Dissertation von 1877 auf alle Fehlerquellen hin, die bei diesen Versuchsanordnungen aufgetreten waren.

Foucaultsche Pendel hängen noch heute in verschiedenen naturwissenschaftlichen Museen, unter anderem im großen Hauptturm des Deutschen Museums in München, in der Eingangshalle des Odysseums in Köln und im Museo de las Ciencias Príncipe Felipe – Teil der Ciudad de las Artes y de las Ciencias in Valencia.

Am Äquator dreht sich die Schwingungsebene des Pendels überhaupt nicht. Je weiter man sich vom Äquator entfernt, desto stärker ist die Drehung, an den geographischen Polen beträgt sie genau 360 Grad pro Sterntag (23 Stunden, 56 Minuten, 4,091 Sekunden). Dieser Wert erklärt sich daraus, dass sich am geographischen Pol (Austrittspunkt der Rotationsachse) die Erde einfach unter dem Pendel wegdreht, ohne dass das Pendel seine Position verändert (außer durch den Umlauf um die Sonne).

Eine andere Interpretation ist, dass mit Bezug auf ein erdfestes Koordinatensystem – d. h. vom natürlichen Standort des Menschen aus betrachtet – auf das schwingende Pendel mit Ausnahme am Äquator quer zur Schwingungsrichtung eine Corioliskraft einwirkt, die auf der nördlichen Halbkugel eine Abweichung nach rechts, auf der südlichen Halbkugel eine Abweichung nach links bewirkt. Die Schwingungsebene dreht sich infolgedessen um die Senkrechte durch den Aufhängepunkt mit der Winkelgeschwindigkeit ω_v = ω_E sin φ, wobei ω_E die Winkelgeschwindigkeit der Erde und φ die geographische Breite des Aufhängepunktes ist. Entsprechend dauert eine volle Umdrehung an den Polen einen Sterntag, in München (φ etwa 48°) etwa 32,2 Stunden.

Der Weg, den der Pendelkörper beschreibt, ist eine so genannte Rosettenbahn.

Die Aufhängung des Pendels kann sowohl elastisch (Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg), kardanisch (Humboldt-Universität zu Berlin) oder steif (Dom zu Magdeburg) erfolgen, weil das Pendel so oder so die Schwingungsebene im dreidimensionalen Raum beibehält, auch wenn die Aufhängung (mit der Erde zwangsläufig) rotiert.

Bilder

• 

  Pendel in der Orangerie in Kassel

• 

  Pendel an der Universität Koblenz

• 

  Pendel im Deutschen Museum, München

• 

  dasselbe Pendel von oben

• 

  Pendel in Frauenburg (Polen)

• 

  Pendel in Motala (Schweden)

• 

  Animation aus Weltraumsicht

• 

  Animation aus Erdsicht

Weblinks

 Commons: Foucault’sches Pendel – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Mathematische Behandlung