Al entrar en el vestíbulo central de un museo de ciencias, se puede ver una pesada pesa que oscila lentamente en el extremo de un largo cable suspendido del techo. Aunque se la observe durante un buen rato, parece limitarse a ir y venir por el mismo sitio. Sin embargo, si se vuelve unas horas después, la dirección en la que oscila ha cambiado. Nadie la ha tocado, así que ¿qué hizo que cambiara de dirección? El protagonista de este enigma es el «péndulo de Foucault» (Foucault Pendulum).
En términos sencillos, el péndulo de Foucault es un dispositivo que permite ver que la Tierra gira sobre su eje. Se cuelga una pesa de un cable muy largo y se la deja oscilar durante mucho tiempo, de modo que se pueda observar cómo el plano de oscilación gira poco a poco respecto al suelo. Se considera el primer experimento que demostró la rotación terrestre en un recinto cerrado sin observar el cielo.
En este artículo veremos, por orden, cómo surgió el péndulo de Foucault, por qué gira su plano de oscilación, cómo varía su velocidad de giro según la latitud y cómo se mantiene en movimiento en los museos de ciencias actuales.
El péndulo de Foucault, que hizo visible la rotación de la Tierra
En 1851, vengan a ver girar la Tierra
El experimento fue ideado por el físico francés Léon Foucault. En el mes 2 de 1851, Foucault presentó por primera vez su péndulo en la sala meridiana del Observatorio de París. Unas semanas después, colgó un péndulo mucho más grande bajo la cúpula del Panteón de París (Panthéon). Según se cuenta, la invitación de entonces decía «Vengan a ver girar la Tierra».
El péndulo del Panteón tenía las siguientes características.
(1) Cable de acero de 67 metros de longitud
Cuanto más largo es el cable, más tarda el péndulo en completar cada vaivén y más tiempo sigue oscilando.
(2) Pesa de 28 kilogramos
Como era una pesa pesada, hecha de plomo y recubierta de latón, la resistencia del aire apenas amortiguaba su oscilación.
(3) Plataforma de arena en el suelo
Una aguja puntiaguda fijada debajo de la pesa dejaba una marca en la arena cada vez que pasaba, de modo que cualquiera podía comprobar cómo cambiaba poco a poco la dirección de la oscilación.
Este experimento causó sensación por una razón. Desde Copérnico se aceptaba ampliamente la idea de que la Tierra gira, pero la mayor parte de las pruebas procedían de inferencias basadas en la observación del movimiento de las estrellas y los planetas. El péndulo de Foucault mostraba directamente, dentro de un edificio y sin mirar al cielo, que el suelo giraba. Por eso muchos parisinos acudieron en masa a verlo.
¿Por qué gira el plano de oscilación?
Una vez que empieza a oscilar, el péndulo tiende a seguir moviéndose en el mismo plano mientras no actúe sobre él una fuerza externa que lo haga girar. Si el punto de suspensión del cable puede girar libremente, el péndulo tiende a mantener su plano de oscilación original aunque el edificio gire.
Donde resulta más fácil entenderlo es en el polo norte. Si se cuelga allí un péndulo, su plano de oscilación se mantiene fijo respecto al espacio, mientras el suelo gira debajo de él y da una vuelta al día. Por eso, a quien está de pie sobre el suelo le parece que el plano de oscilación da una vuelta al día en sentido contrario al giro de la Tierra.
- Hemisferio norte (Northern Hemisphere). Visto desde arriba, el plano de oscilación gira en el sentido de las agujas del reloj.
- Hemisferio sur (Southern Hemisphere). El plano de oscilación gira en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Ese giro aparente se debe a que quienes observamos el péndulo giramos junto con la Tierra.
La velocidad de giro varía según la latitud
El tiempo que tarda el plano de oscilación en dar una vuelta completa depende de la latitud del lugar donde se cuelga el péndulo. En los polos tarda unas 23 horas y 56 minutos, el tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta sobre su eje. A medida que se acerca al ecuador, el giro se hace cada vez más lento. La fórmula es «tiempo de una vuelta = 23 horas y 56 minutos ÷ sin(latitud)».
- Panteón (París). Como se encuentra a unos 48.9 grados de latitud norte, el plano de oscilación giraba unos 11.3 grados por hora y tardaba unas 31 horas y 50 minutos en dar una vuelta completa.
- Seúl (Seoul). A unos 37.6 grados de latitud norte, una vuelta completa tarda unas 39 horas.
- Ecuador (Equator). El plano de oscilación permanece fijo, por lo que allí el péndulo no permite comprobar la rotación de la Tierra.
El giro del plano de oscilación depende exclusivamente de la latitud y es independiente de la longitud del cable y del peso de la pesa. La longitud del cable solo determina cuánto dura cada vaivén. El péndulo del Panteón tardaba unos 16 segundos en completar una ida y vuelta.
Este giro tiene el mismo origen que el efecto de Coriolis (Coriolis Effect), el fenómeno por el cual los objetos en movimiento parecen desviarse lateralmente debido a la rotación de la Tierra. Como el efecto es muy pequeño, el péndulo debe oscilar durante mucho tiempo para que se aprecie el cambio. Por eso hay que usar un péndulo con un cable largo y una pesa de gran masa y observarlo durante varias horas.
El péndulo de Foucault en la actualidad
El péndulo de Foucault sigue oscilando hoy en museos de ciencias, universidades y edificios públicos de todo el mundo. En la práctica, construirlo resulta más complicado de lo que parece.
Cómo mantener el péndulo en oscilación durante mucho tiempo
- Resistencia del aire (Air Resistance). El rozamiento con el aire reduce poco a poco la amplitud de la oscilación, por lo que se fabrica una pesa de gran masa y de superficie lisa.
- Movimiento elíptico (Elliptical Motion). Si la pesa recibe un leve empujón lateral al soltarla, describe una trayectoria ovalada y gira de forma indeseada. Por eso, antiguamente se sujetaba la pesa con un hilo y se quemaba el hilo para que iniciara su movimiento sin sacudidas.
- Accionamiento electromagnético (Electromagnetic Drive). En los péndulos de exposición actuales, un electroimán situado en el suelo da un pequeño impulso a la pesa cada vez que pasa para que mantenga la misma amplitud de oscilación durante todo el día.
La pesa original del Panteón se trasladó al Museo de Artes y Oficios de París (Musée des Arts et Métiers), donde se expuso. En 2010, el cable se rompió y la pesa cayó y sufrió graves daños.
Con solo un cable y una pesa, y sin recurrir a telescopios complejos ni a cálculos, el péndulo de Foucault mostró que el suelo sobre el que estamos gira sin cesar. Así, cualquiera pudo comprobar, por las marcas en la arena, la rotación terrestre que hasta entonces solo se infería del movimiento de las estrellas y del Sol.
El enorme movimiento oculto en ese lento vaivén solo se revela a quien se detiene a observarlo durante mucho tiempo. Observar con perseverancia un fenómeno que parece evidente es el primer paso de la ciencia para descubrir el orden oculto de la naturaleza.
