フーコーの振り子はなぜ回る？仕組みと地球の自転、24時間で1周しない理由

科学館の吹き抜けで、大きなおもりが静かに往復している。しばらく見ていると、振れる向きが少しずつ変わり、周囲のピンを倒していくことがあります。これがフーコーの振り子です。

ただ揺れているだけに見える装置で、なぜ地球の自転が分かるのでしょうか。「振り子は地球につながっているのに？」「地球は1日で回るのに、なぜ振れる方向は1日で1周しないの？」という疑問を、順番に解いていきます。

先に答えると
フーコーの振り子は、自転する地球の上から見たとき、往復する向きがゆっくり変わる装置です。おもりが円周上をぐるぐる回るのではなく、往復運動の「向き」が変わります。その変化の速さは、観察する場所の緯度によって異なります。

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フーコーの振り子とは？地球の自転を見せる実験

フーコーの振り子は、長いワイヤーなどにつるしたおもりを振らせ、地球の自転による振動方向の変化を観察する装置です。1851年、フランスの物理学者レオン・フーコーが行った実験にちなんでいます。

名古屋市の科学館の解説によると、パリのパンテオンでの公開実験では、長さ67メートルのピアノ線と、重さ28キログラムのおもりが使われました。空の星の動きだけに頼らず、地上の装置でも地球の回転を確かめられる点が、この実験の面白さです。【出典：名古屋市科学館・フーコーの振り子】

いちばんイメージしやすいのは、北極点の真上からつるした、理想的な振り子です。余計な横向きの力を受けなければ、振り子は空間に対して同じ向きに往復し続けようとします。一方、その下の地面は地球とともに回ります。

外から眺めると「地面が回っている」と理解できますが、地面の上にいる私たちは、床や建物を基準にします。すると、床に対して振り子の往復する線が回って見えるのです。スミソニアン博物館も、この北極での思考実験を使って説明しています。【出典：スミソニアン博物館】

ここで見るのは、おもりの中心が円を描く動きではありません。おもりは行って戻る運動を続けます。その往復の両端と支点を含む面を振動面といい、その向きが床に対してゆっくり変わることが観察のポイントです。

北極以外では、振り子の支点も地球の自転とともに地軸の周りを移動します。そのため、北極の説明をそのまま使って「どこでも地面だけが1日で1回転する」と考えることはできません。

地球上の立場から運動を説明するときに使うのが、コリオリの力です。回転している場所から物体の動きを見る際に現れる見かけの力で、振り子の振動面が変わって見える現象も、この考え方で記述できます。弘前大学の解説も、フーコーの振り子をコリオリの力と結びつけて説明しています。【出典：弘前大学・原理】

ワイヤーが建物につながっていても、振れる方向が床に固定されているわけではありません。あらゆる方向へ振れやすいように支えることで、床との向きの変化を観察できます。反対に、一定方向にしか動けない仕組みなら、同じ実験にはなりません。

振動面の回転に関わるのは、地球の回転のうち、観察場所の地面に垂直な軸の周りの成分です。極ではその効果が最大になり、赤道へ近づくほど小さくなります。

葛飾区郷土と天文の博物館は、振動面が1周する時間を、北半球では「23.934時間÷sin（緯度）」と説明しています。23.934時間は、地球が星空を基準に1回転する約1日の長さです。同館のある葛飾では、振動面の1周に約41時間かかります。【出典：葛飾区郷土と天文の博物館】