Eurajoen vesitornin Foucault’n heiluri

Kirjoittaja: 

Jukka O. Mattila, rehtori emeritus, Hattula

Tämän kirjoittaja rakensi 1985 opetuksensa avuksi 40 metrin mittaisen Foucault’n heilurin Eurajoen vesitornin sivulle. Heilurista on tullut koululuokkien suosittu retkikohde yhdessä samalla paikkakunnalla sijaitsevan ydinvoimalaitoksen kanssa.

Tavanomaisen kokemuksemme mukaan heiluri heilahtelee edestakaisin. Hyvin tarkasti katsottuna heilahdustaso kääntyy kuitenkin koko ajan. Heilahdustason kiertyminen johtuu maapallon pyörimisliikkeen aiheuttamasta näennäisestä Coriolis-voimasta, joka pyrkii kiertämään kaikkea liikettä maan pinnalla, pohjoisella pallonpuoliskolla myötä- ja eteläisellä vastapäivään. Kiertymistä esittelee alla oleva kuva Eurajoen vesitornin heilurin opastaulusta.

 


Opastauluun piirretyn pintaelementin kiertymäkuva selittää, miksi esimerkiksi kiväärin luodin suunta kiertyy ampumasuunnasta riippumatta aina saman verran.

 

Tähän aiheeseen liittyvän ensimmäisen kokeen suoritti Léon Foucault Pariisin Panthéonissa vuonna 1851. Hänen 67 m heilurissaan oli 2,7 kg messinkipallo. Pietarin Iisakin kirkossa riippui neuvostoaikana maailman suurin, yli 90 metriä pitkä Foucault’n heiluri.

Alkukokeilut Leybold-heilurilla

Ensimmäiset omat Foucault’n heilurikokeeni 1970-luvun alussa Eurajoen lukiossa osoittautuivat hankaliksi. Luokkahuoneen mataluus rajoitti heilurin pituutta ja heilahtelun nopea vaimeneminen kokeen kestoa.

Käytin Leyboldin 600 g painoista teräslankaheiluria, ja pelkästään kvalitatiivisessa mielessä. Kokeen onnistumiseen riitti siis todeta heilahdustason kääntyvän oikeaan suuntaan.

Kriittisin vaihe on heilurin liikkeelle saattaminen. Léon Foucault’n alkuperäinen tapa vuodelta 1851 on edelleen hyvä. Hän kiinnitti lähtöasentoon vedetyn heilurikuulan vyötäisille narulenkin. Lenkistä kiinnityspisteeseen johtavan narun polttaminen lähetti heilurin liikkeelle.

Ennen koetta päättelimme maapallon pyörimisestä, kumpaan suuntaan heilahdustaso kiertyisi. Tämän jälkeen sijoitin ääniraudan lattialle siten, että heilurin kylki muutaman heilahduksen jälkeen osuisi siihen.

Edistymistä laserin avulla

Vuonna 1982 pilasin kokeen sijoittamalla ääniraudan hieman liian kauas, jolloin heiluripaino ei tavoittanut äänirautaa ajallaan. Kyllääntyneenä koko touhun hankaluuksiin aloin suunnitella uutta koetta. Hyödyntäisin siinä laser-sädettä.

Asemoin oheisen koekuvauksen mukaisesti laserin siten, että sen levitetty sädeviuhka muodosti heilurilangan varjon vastakkaiselle seinälle. Koska seinä oli etäällä heilurista, langan varjon vaakasuora siirtymä suureni, lisäten näin mittaustarkkuutta.

Laserin käyttö toi mittaamisen mukaan Foucault’n kokeisiini. Yritimme määrittää Eurajoen leveysasteen. Tarkkuudessa ei ollut hurraamista. Parhaimmillaankin totesimme olevamme jossain Tanskan ja napapiirin välillä.

 

Perussyy epätarkkuuteen oli Leyboldin heilurikuulan rakenteessa. Kuula oli valettu eikä sellaisena täysin pallomainen, jolloin ilmanvastuksen epäsymmetria aiheutti ripustuslangan varjon lievää vaeltamista.

Paras heiluripaino saataisiin sorvaamalla. Suurin ongelma oli auttamattomasti kuitenkin luokkahuoneheilurini ripustuslangan lyhyys, vajaa kolme metriä.

Think big: pitkä heiluri vesitornin sivulle

Apu heilurikokeisiin tuli yllättävältä taholta. Luin vuonna 1984 paikallisesta Länsi-Suomi-lehdestä, että Eurajoelle rakennettaisiin 46 metrin korkuinen vesitorni. Heti samana iltana pistäydyin Eurajoen kunnanjohtajan, vanhan maanviljelijän kotona. Sanoin, että vesitornin ulkoreunalle pitäisi rakentaa vesitornin korkuinen heiluri. Ei ole tiedossa, mitä kunnanjohtaja mielessään ajatteli lehtorin ehdotuksesta – pokka piti ainakin.

Monien värikkäiden paikallispoliittisten kiemuroiden jälkeen kunta antoi luvan rakentaa toimiva Foucault’n heiluri. Vesitornin ylävesisäiliön ulkoreunalta riippuvan heilurin pituudeksi tuli 40 metriä ja heiluripainon massaksi 110 kg. Heilurilanka on Ø 5 mm rst-pianolankaa ja heilahdusaika majesteetilliset 12,5 sekuntia. Ilmanvastuksen minimoimiseksi heiluripaino sorvattiin kaksoiskartion muotoon. Wikipedian mukaan se on Suomen ensimmäinen Foucault’n heiluri.

Ripustin heilurin paikoilleen 12.6.1985 istuen 40 m korkeudessa ylävesisäiliön ulkoreunan sadevesikourussa. Ystävät pitivät turvaköyttä tiukalla tornin näköalatasanteen ikkuna-aukosta.

Heilurin koekäyttö tapahtui jo samana päivänä, Eurajoen lukiolla järjestämäni kansainvälisen Microscience II -seminaarin yhtenä ohjelmanumerona. Olin laskenut valitulla havaintokohdalla sivuttaissiirtymäksi 6,0 mm. Ensimmäinen koe oli jännittävä, olihan kunta edellyttänyt toimivaa Foucault’n heiluria. Siirtymä oli tarkalleen 6 mm.

Heiluripaino oli seuraavan talven varastossa ja 40 m lanka kiedottuna vesitornin rungon ympärille. Juhlalliset vihkiäiset pidettiin 8.6.1986 ja 10-, 20- ja 30-vuotisjuhlat vastaavasti 1996, 2006 ja 2016.

Heiluri toimii yhä tuon alkuperäisen ripustuksen jäljiltä, 32 vuoden jälkeen. Kestävyyden yhtenä salaisuutena on laivakompassia muistuttavan ripustuslaitteen neljän ristikkäisen laakerin kardaaninen yhdelmä. Paksu heilurilanka lähtee ripustimesta aina kohtisuorasti eikä voi siis mitenkään esimerkiksi väsyä poikki.

Toinen kestävyystekijä on heilurikentän sivulla sijaitseva heilurin neljän metrin korkuinen säilytysputki. Putki on vinossa siten, että sen symmetria-akseli suuntautuu heilurin ripustuspisteeseen. Näytöksen jälkeen heiluri vedetään säilytysputken taakse ja lasketaan koko putken sivun pituisen kapean lankaraon ja alaosan leveän oven kautta paikoilleen. Ovi lukitaan.

 

Etualalla 110 kg paino lähtötelineessään. Vasemmalla heilurin neljän metrin korkuinen vino säilytysputki, jonka symmetria-akseli suuntautuu ylös heilurin ripustuspisteeseen. Turvasyistä heilurikenttää ympäröi soikea 20 x 7 metrin aitaus.

 

Jälkisuunnitelmia: jatkuvatoiminen laser-heiluri

Jatkosuunnitelmissa oli rakentaa vesisäiliön Ø 6 m varren sisätilaan toinen heiluri. Toisin kuin ulkopuolella sijaitseva, tämä olisi ollut tuulilta suojassa. Sisäpuolinen heiluri olisi ollut lyhyt, 1–2 metriä, ja se olisi ripustettu korkealle sisätilan kattoon.

Tämän lyhyen heilurin heiluripaino olisi ollut pitkulaisen sylinterin muotoinen ja sen symmetria-akselilla olisi ollut laserputki, jonka valopiste piirtää kuviotaan alas lattiatasolle 36 metrin päähän. Heiluri olisi ollut heiluripainon alle sijoitetun tahdistetun magneetin vaikutuksesta jatkuvatoiminen. Magneettiveto on jatkuvatoimisten Foucault’n heilurien normaali ratkaisu.

 

Heilurin alla oleva piikki kaataa orresta puikkoja yhden kerrallaan.

 

Koska laser-heiluri olisi ollut lyhyt, sen heilahdusaika olisi 2–3 sekunnin luokkaa eli valopiste olisi tikuttanut lattialla edestakaisin varsin vilkkaasti.

Olin rakentanut Eurajoen vesitornin heilurin sitä varten, ettei enää tarvitsisi tehdä Foucault’n koetta matalassa luokkahuoneessa. Pahaksi onneksi samana kesänä 1986 tuli muutto toiselle paikkakunnalle, Paraisten lukion rehtoriksi. Taas olin ilman heiluria.

Foucault-heilureista tuli loppuelämän pakkomielle. Vesitorneja tai rakennusten korkeita sisätiloja katsellessa tulee aina mieleen, minkähänlaisen tähän voisi…

 


Heilurin talvikäyttöä (taiteilija Rauno Mäkimattila).

 

Laadin 1988 tiedekeskus Heurekalle rakennepiirroksen jatkuvatoimisesta laser-heilurista. Tuohon aikaan Heurekan ison sylinterihallin katosta riippui ns. kaoottinen heiluri. Ehdotin sen korvaajaksi ylös kattoon edellä kuvatun kaltaista lyhyttä jatkuvatoimista laser-Foucault-heiluria, jonka säde ohjattaisiin poikkileikkaukseltaan kolmiomaisella torus-prismalla vilkkumaan vuorotellen sylinterimäisen hallin vastakkaisilla sivuseinillä. Tämä suunnitelma ei toteutunut. Nykyään paikalla on erinomaisesti toimiva tavanomainen Foucault’n heiluri.

Käsillä oleva ensimmäinen laajempi suomenkielinen selonteko Eurajoen heilurista on 30 vuotta myöhässä. Vuonna 1991 Physics Educationiin kirjoittamani vastaava selostus ja siitä edelleen italiaksi käännetty versio ovat palvelleet heilurilla käyneitä ulkomaisia turisteja.

Eurajoen vesitornin ja sen Foucault´n heilurin esittely on eurajokelaisille koululaisryhmille maksuton, ulkopaikkakuntalaisille 35€/ryhmä (v. 2016). Opastus ja oppaat tilataan Eurajoen matkailusta 044 312 4216 mielellään noin viikkoa ennen.

 

Lisää eDimensiossa

Opettaja artikkelin kirjoittajana , 16. marraskuu 2017 - 9:36
Dimensio 5/2017 , 29. lokakuu 2017 - 9:16
Laskukone vauvan aivoissa , 16. elokuu 2017 - 9:00
Mihin matematiikkaa tarvitaan , 16. elokuu 2017 - 9:00
Dimensio 4/2017 , 16. elokuu 2017 - 1:00
Dimensio 3/2017 , 23. huhtikuu 2017 - 9:00
Eurajoen vesitornin Foucault’n heiluri , 22. huhtikuu 2017 - 9:00
Historiaa, fysiikkaa ja fysiikan historiaa , 2. huhtikuu 2017 - 9:00
Dimensio 2/2017 , 31. maaliskuu 2017 - 9:00
Erään matematiikan vihaajan tunnustuksia , 2. helmikuu 2017 - 9:00
Dimensio 1/2017 , 26. tammikuu 2017 - 9:00
GeoGebra-täydennyskoulutuksia verkossa , 6. joulukuu 2016 - 9:00
Dimensio 6/2016 , 6. joulukuu 2016 - 9:00
Taide taittaa matematiikkaa – Osa 2(2) , 26. lokakuu 2016 - 9:00
MAOLin syyskoulutuspäivät Oulussa , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Lukion tärkein ainevalinta? , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 5/2016 , 26. lokakuu 2016 - 9:00
GeoGebra tänään , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 4/2016 , 24. lokakuu 2016 - 9:00
Taide taittaa matematiikkaa – Osa 1(2) , 22. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 3/2016 , 21. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 2/2016 , 12. lokakuu 2016 - 9:00
Lukion tärkein ainevalinta? , 24. syyskuu 2016 - 9:00
Lukion fysiikan OPS muutosten edessä , 8. syyskuu 2016 - 9:00
Hattulan silloilta , 8. syyskuu 2016 - 9:00