Foucault's gyroscope

The Foucault gyroscope was a gyroscope created by French physicist Léon Foucault in 1852, conceived as a follow-up experiment to his pendulum in order to further demonstrate the Earth's rotation.^[1]^[2]^[3]^[4]

Foucault felt that the results of his famous pendulum experiment had been misunderstood. He therefore endeavored to create an apparatus with a "body freely suspended by its center of gravity and rotating around one of its principal axes", allowing the study of a plane with "absolute directional stability".^[5] The mechanical precision of Foucault's gyroscope allowed this to be proven clearly to the scientific establishment, and the gyroscope became a widely popular instrument.^[6]

Design

Together with Paul-Gustave Froment, Foucault built an apparatus in which the inner gimbal was balanced on knife edge bearings on the outer gimbal and the outer gimbal was suspended by a fine, torsion-free thread in such a manner that the lower pivot point carried almost no weight.^[7]

The gyro was spun to 9,000–12,000 revolutions per minute with an arrangement of gears before being placed into position, which was sufficient time to balance the gyroscope and carry out 10 minutes of experimentation. The instrument could be observed either with a microscope viewing a tenth of a degree scale or by a long pointer.^[5]

Publications

Foucault published two papers in 1852, one focused on astronomy with the weight free to move on all three axes (On a new experimental demonstration of the motion of the Earth, based on the fixity of the plane of rotation)^[8] and the other on mechanics with the weight free to move on only two axes (On the orientation phenomena of rotating bodies driven by a fixed axis on the Earth's surface. New sensitive signs of daily movement).^[9]

In the paper on mechanics, Foucault explained that if one axis of rotation is fixed in line with the surface of the Earth, the other two axes of rotation tend to the same direction, similar to "a magnetic needle", making it possible to use the instrument to highlight a directing force.^[10]

Naming

Foucault coined the name "gyroscope" in the 1852 publication of his experiment:^[11]^[12]

This apparatus specially designed to highlight and approximate the deviation of a freely rotating body can also be used to produce and observe the phenomena of orientation that I have just stated and described. As all these phenomena depend on the movement of the Earth and are its varied manifestations, I propose to name the sole instrument which has served me to observe them gyroscope.

Copies

At least three more copies of a Foucault's gyroscope were made in convenient travelling and demonstration boxes, and copies survive in the UK,^[13] France,^[14] and the US.^[15] The original was given to the Collège de France and was lost, there are no known photographs of the original suggesting it was lost a few decades after the College received it.^[16]

The Foucault gyroscope became a challenge and source of inspiration for skilled science hobbyists such as David B. Adamson.^[17]

Gallery

Sketch of the gyroscope
Launching device for the gyroscope

Citations

Foucault, Léon (1852a). "Astronomie: Sur une nouvelle démonstration expérimentale du mouvement de la Terre, fondée sur la fixité du plan de rotation". Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences (in French). 35 (Week of Monday 27 September 1852). Gauthier-Villars: 421-424.
Foucault, Léon (1852b). "Mécanique: Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la Terre. Nouveaux signes sensibles du mouvement diurne". Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences (in French). 35 (Week of Monday 27 September 1852). Gauthier-Villars: 424-427.

References

^ Dyer, S.A. (2004). Wiley Survey of Instrumentation and Measurement. IEEE Press. Wiley. p. 646. ISBN 978-0-471-22165-4. The Foucault gyroscope with the framework suspended on a ligament is considered the original form of the north-seeking gyro.
^ Sommeria, Joël (2017). "Foucault and the rotation of the Earth". Comptes Rendus Physique. 18 (9–10). Elsevier BV: 520–525. Bibcode:2017CRPhy..18..520S. doi:10.1016/j.crhy.2017.11.003. ISSN 1631-0705.
^ Webster, A.G. (1922). The Dynamics of Particles and of Rigid, Elastic and Fluid Bodies: Being Lectures on Mathematical Physics. The Dynamics of Particles and of Rigid, Elastic, and Fluid Bodies: Being Lectures on Mathematical Physics. G.E. Stechert & Company. p. 324. Foucault's Gyroscope. Let us now consider the celebrated experiments by which, by means of a gyroscope, Foucault demonstrated the rotation of the earth.
^ Tobin, William (2005). "Probing the fabric of space: from Foucault's gyroscope to Gravity Probe B" (PDF). Southern Stars. 44 (3): 12–14. Bibcode:2005SouSt..44c..12T. ISSN 0049-1640. Retrieved 2023-03-11.
^ ^a ^b Foucault 1852a: "C'est faute d'avoir compris dans son acception véritable la fixité du plan d'oscillation, que beaucoup de personnes se sont fait, de la déviation, une idée inexacte, et ont méconnu sa valeur et son uniformité. Mais, si au plan d'oscillation du pendule on substitue le plan de rotation d'un corps librement suspendu par son centre de gravité et tournant autour d'un de ses axes principaux, on a à considérer un plan physiquement défini et qui possède réellement une fixité de direction absolue. C'est pour réaliser cette conception et en obtenir de nouveaux signes de la rotation de la Terre, que j'ai composé et fait exécuter un nouvel appareil que je puis mettre dès à présent sous les yeux de l'Académie."
^ Bud, R.; Warner, D.J. (1998). Instruments of Science: An Historical Encyclopedia. Garland encyclopedias in the history of science. Science Museum, London, and National Museum of American History, Smithsonian Institution. p. 132. ISBN 978-0-8153-1561-2.
^ Foucault 1852a: "Le corps que j'ai choisi de préférence à tout autre pour lui communiquer un mouvement de rotation rapide et durable, est un tore circulaire en bronze monté à l'intérieur d'un cercle métallique dont un diamètre est figuré par l'axe d'acier qui traverse le mobile; le diamètre perpendiculaire est représenté par les tranchants de deux couteaux implantés dans le même alignement sur le contour extérieur du même cercle. Les couteaux sont dirigés de telle sorte, que les tranchants regardant en bas, le plan du cercle et Paxe du tore y compris, soient horizontalement situés. C'est dans cette position, et après avoir imprimé au mobile une grande vitesse, qu'on introduit le système dans un second cercle extérieur où les couteaux trouvent à reposer sur des plans horizontaux ce second cercle vertical est suspendu à un fil sans torsion, et guidé en même temps par des pivots qui préviennent tout mouvement oscillatoire. Si l'axe du tore est très-mobile sur ses tourillons, si son cercle enveloppant est soutenu par ses couteaux dans un état d'équilibre indiffèrent, si enfin le fil qui supporte le tout est réellement sans torsion, il est clair que le tore jouit lui-même d'une entière liberté et qu'il peut pirouetter en tous sens autour de son centre de gravité. Telle est en effet la mobilité de ces différentes pièces dans l'appareil construit par M. Froment, qu'elles s'agitent au moindre souffle et qu'il faut quelque précaution pour les amener sans vitesse dans une position déterminée. Toutefois cette grande mobilité, qui témoigne de l'habileté du constructeur, n'apparaît qu'autant que le corps révolutif reste au repos. Car, dès que le tore est mis en mouvement et déposé en sa place, le système tout entier se consolide dans l'espace avec une énergie remarquable. Dans cet état le corps ne peut plus participer au mouvement diurne qui anime notre globe; et, en effet, bien que son axe, en raison de sa brièveté, semble conserver sa direction première, relativement aux objets terrestres, il suffit d'en approcher un microscope pour constater un mouvement apparent, uniforme et continu, qui lui fait suivre exactement le mouvement de la sphère céleste."
^ Foucault 1852a.
^ Foucault 1852b.
^ Foucault 1852b: "Cette tendance remarquable de l'axe de rotation vers une direction définie, ne laisse pas que de présenter, avec la propriété fondamentale de l'aiguille aimantée, une certaine ressemblance extérieure qui est d'autant plus frappante, que généralement la position d'équilibre autour de laquelle oscille le nouvel instrument est oblique sur l'horizon, ce qui permet de mettre la force directrice en évidence, en opérant soit dans le plan horizontal, comme on le fait avec la boussole de déclinaison, soit dans un plan vertical, comme on le fait aussi avec la boussole d'inclinaison."
^ The Oxford English Dictionary. Vol. VI (2nd ed.). 1989. p. 985. Retrieved 11 March 2023.
^ Foucault 1852b: "L'appareil spécialement destiné à mettre en évidence et à mesurer approximativement la déviation d'un corps tournant en toute liberté, peut servir également à produire et à observer les phénomènes d'orientation que je viens d'énoncer et de décrire. Comme tous ces phénomènes dépendent du mouvement de la Terre et en sont des manifestations variées, je propose de nommer gyroscope l'instrument unique qui m'a servi à les constater."
^ "Tripod stand for Foucault's Gyroscope". Science Museum Group Collection. 2023-03-11. Retrieved 2023-03-11.
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[Dyer_2004_p._646-1] Dyer, S.A. (2004). Wiley Survey of Instrumentation and Measurement. IEEE Press. Wiley. p. 646. ISBN 978-0-471-22165-4. The Foucault gyroscope with the framework suspended on a ligament is considered the original form of the north-seeking gyro.

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[Webster_1922_p.-3] Webster, A.G. (1922). The Dynamics of Particles and of Rigid, Elastic and Fluid Bodies: Being Lectures on Mathematical Physics. The Dynamics of Particles and of Rigid, Elastic, and Fluid Bodies: Being Lectures on Mathematical Physics. G.E. Stechert & Company. p. 324. Foucault's Gyroscope. Let us now consider the celebrated experiments by which, by means of a gyroscope, Foucault demonstrated the rotation of the earth.

[Tobin_pp._12–14-4] Tobin, William (2005). "Probing the fabric of space: from Foucault's gyroscope to Gravity Probe B" (PDF). Southern Stars. 44 (3): 12–14. Bibcode:2005SouSt..44c..12T. ISSN 0049-1640. Retrieved 2023-03-11.

[Fou1852a-5] Foucault 1852a: "C'est faute d'avoir compris dans son acception véritable la fixité du plan d'oscillation, que beaucoup de personnes se sont fait, de la déviation, une idée inexacte, et ont méconnu sa valeur et son uniformité. Mais, si au plan d'oscillation du pendule on substitue le plan de rotation d'un corps librement suspendu par son centre de gravité et tournant autour d'un de ses axes principaux, on a à considérer un plan physiquement défini et qui possède réellement une fixité de direction absolue. C'est pour réaliser cette conception et en obtenir de nouveaux signes de la rotation de la Terre, que j'ai composé et fait exécuter un nouvel appareil que je puis mettre dès à présent sous les yeux de l'Académie."

[Bud_Warner_1998_p._132-6] Bud, R.; Warner, D.J. (1998). Instruments of Science: An Historical Encyclopedia. Garland encyclopedias in the history of science. Science Museum, London, and National Museum of American History, Smithsonian Institution. p. 132. ISBN 978-0-8153-1561-2.

[7] Foucault 1852a: "Le corps que j'ai choisi de préférence à tout autre pour lui communiquer un mouvement de rotation rapide et durable, est un tore circulaire en bronze monté à l'intérieur d'un cercle métallique dont un diamètre est figuré par l'axe d'acier qui traverse le mobile; le diamètre perpendiculaire est représenté par les tranchants de deux couteaux implantés dans le même alignement sur le contour extérieur du même cercle. Les couteaux sont dirigés de telle sorte, que les tranchants regardant en bas, le plan du cercle et Paxe du tore y compris, soient horizontalement situés. C'est dans cette position, et après avoir imprimé au mobile une grande vitesse, qu'on introduit le système dans un second cercle extérieur où les couteaux trouvent à reposer sur des plans horizontaux ce second cercle vertical est suspendu à un fil sans torsion, et guidé en même temps par des pivots qui préviennent tout mouvement oscillatoire. Si l'axe du tore est très-mobile sur ses tourillons, si son cercle enveloppant est soutenu par ses couteaux dans un état d'équilibre indiffèrent, si enfin le fil qui supporte le tout est réellement sans torsion, il est clair que le tore jouit lui-même d'une entière liberté et qu'il peut pirouetter en tous sens autour de son centre de gravité. Telle est en effet la mobilité de ces différentes pièces dans l'appareil construit par M. Froment, qu'elles s'agitent au moindre souffle et qu'il faut quelque précaution pour les amener sans vitesse dans une position déterminée. Toutefois cette grande mobilité, qui témoigne de l'habileté du constructeur, n'apparaît qu'autant que le corps révolutif reste au repos. Car, dès que le tore est mis en mouvement et déposé en sa place, le système tout entier se consolide dans l'espace avec une énergie remarquable. Dans cet état le corps ne peut plus participer au mouvement diurne qui anime notre globe; et, en effet, bien que son axe, en raison de sa brièveté, semble conserver sa direction première, relativement aux objets terrestres, il suffit d'en approcher un microscope pour constater un mouvement apparent, uniforme et continu, qui lui fait suivre exactement le mouvement de la sphère céleste."

[FOOTNOTEFoucault1852a-8] Foucault 1852a.

[FOOTNOTEFoucault1852b-9] Foucault 1852b.

[10] Foucault 1852b: "Cette tendance remarquable de l'axe de rotation vers une direction définie, ne laisse pas que de présenter, avec la propriété fondamentale de l'aiguille aimantée, une certaine ressemblance extérieure qui est d'autant plus frappante, que généralement la position d'équilibre autour de laquelle oscille le nouvel instrument est oblique sur l'horizon, ce qui permet de mettre la force directrice en évidence, en opérant soit dans le plan horizontal, comme on le fait avec la boussole de déclinaison, soit dans un plan vertical, comme on le fait aussi avec la boussole d'inclinaison."

[OED-11] The Oxford English Dictionary. Vol. VI (2nd ed.). 1989. p. 985. Retrieved 11 March 2023.

[12] Foucault 1852b: "L'appareil spécialement destiné à mettre en évidence et à mesurer approximativement la déviation d'un corps tournant en toute liberté, peut servir également à produire et à observer les phénomènes d'orientation que je viens d'énoncer et de décrire. Comme tous ces phénomènes dépendent du mouvement de la Terre et en sont des manifestations variées, je propose de nommer gyroscope l'instrument unique qui m'a servi à les constater."

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[adb-17] Julie Evans (2005). "Adamson, David Beveridge (1823–1891)". Australian Dictionary of Biography: Adamson, David Beveridge (1823–1891). National Centre of Biography, Australian National University. Retrieved 28 October 2020.

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