Πείραμα Cavendish
αγγλικά : Cavendish experiment
γαλλικά :
γερμανικά :
Το πείραμα Cavendish, που πραγματοποιήθηκε το 1797–1798 από τον Άγγλο επιστήμονα Henry Cavendish, ήταν το πρώτο πείραμα για τη μέτρηση της δύναμης της βαρύτητας μεταξύ των μαζών στο εργαστήριο [1] και το πρώτο που έδωσε ακριβείς τιμές για τη σταθερά βαρύτητας. [2] [3 ] Λόγω των συμβατικών μονάδων που χρησιμοποιούνται τότε, η βαρυτική σταθερά δεν εμφανίζεται ρητά στο έργο του Cavendish. Αντ 'αυτού, το αποτέλεσμα αρχικά εκφράστηκε ως το ειδικό βάρος της Γης, [4] ή ισοδύναμα η μάζα της Γης. Το πείραμά του έδωσε τις πρώτες ακριβείς τιμές για αυτές τις γεωφυσικές σταθερές.
Το πείραμα επινοήθηκε λίγο πριν από το 1783 από τον γεωλόγο John Michell, [5] [6] ο οποίος δημιούργησε μια συσκευή ισορροπίας στρέψης για αυτό. Ωστόσο, ο Michell πέθανε το 1793 χωρίς να ολοκληρώσει τη δουλειά. Μετά το θάνατό του, η συσκευή πέρασε στον Francis John Hyde Wollaston και στη συνέχεια στον Cavendish, ο οποίος ανοικοδόμησε τη συσκευή αλλά παρέμεινε κοντά στο αρχικό σχέδιο του Michell. Στη συνέχεια, ο Cavendish πραγματοποίησε μια σειρά μετρήσεων με τον εξοπλισμό και ανέφερε τα αποτελέσματά του στις Φιλοσοφικές Συναλλαγές της Βασιλικής Εταιρείας το 1798. [7]
Η συσκευή που κατασκευάστηκε από τον Cavendish ήταν μια ισορροπία στρέψης από ξύλινη ράβδο έξι ποδιών (1,8 μ.) οριζόντια αναρτημένη από ένα καλώδιο, με δύο σφαίρες μολύβδου διαμέτρου 1 ίντσας (51 mm) διαμέτρου 1,61 λιβρών (0,73 kg), μια συνδεδεμένη με κάθε άκρο. Δύο μπάλες μολύβδου 12 ιντσών (300 mm) 348-λίβρες (158 kg) εντοπίστηκαν κοντά στις μικρότερες μπάλες, περίπου 9 ίντσες (230 mm) μακριά, και συγκρατήθηκαν στη θέση τους με ένα ξεχωριστό σύστημα ανάρτησης. [8] Το πείραμα μέτρησε την πολύ μικρή βαρυτική έλξη μεταξύ των μικρών σφαιρών και των μεγαλύτερων.
Οι δύο μεγάλες σφαίρες τοποθετήθηκαν σε εναλλακτικές πλευρές του οριζόντιου ξύλινου βραχίονα του ζυγού. Η αμοιβαία έλξη τους στις μικρές σφαίρες προκάλεσε το βραχίονα να περιστραφεί, περιστρέφοντας το σύρμα που στηρίζει τον βραχίονα. Ο βραχίονας σταμάτησε να περιστρέφεται όταν έφτασε σε μια γωνία όπου η δύναμη συστροφής του σύρματος εξισορρόπησε τη συνδυασμένη βαρυτική δύναμη έλξης μεταξύ των μεγάλων και μικρών σφαιρών μολύβδου. Μετρώντας τη γωνία της ράβδου και γνωρίζοντας τη δύναμη συστροφής (ροπή) του σύρματος για μια δεδομένη γωνία, ο Cavendish μπόρεσε να προσδιορίσει τη δύναμη μεταξύ των ζευγών μάζας. Δεδομένου ότι η βαρυτική δύναμη της Γης στη μικρή σφαίρα θα μπορούσε να μετρηθεί άμεσα με τη ζύγιση της, η αναλογία των δύο δυνάμεων επέτρεψε τον υπολογισμό της Ειδικής βαρύτητας της Γης, χρησιμοποιώντας τον νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα.
Ο Cavendish διαπίστωσε ότι η πυκνότητα της Γης ήταν 5,448 ± 0,033 φορές μεγαλύτερη από το νερό (λόγω ενός απλού αριθμητικού σφάλματος, που βρέθηκε το 1821 από τον Francis Baily, η λανθασμένη τιμή 5,480 ± 0,038 εμφανίζεται στο χαρτί του). [9] [10]
Για να βρεθεί ο συντελεστής στρέψης του σύρματος, η ροπή που ασκείται από το σύρμα για μια δεδομένη γωνία στροφής, ο Cavendish χρονομετρήθηκε τη φυσική περίοδο ταλάντωσης της ράβδου ισορροπίας καθώς περιστράφηκε αργά δεξιόστροφα και αριστερόστροφα έναντι της περιστροφής του σύρματος. Η περίοδος ήταν περίπου 20 λεπτά. Ο συντελεστής στρέψης θα μπορούσε να υπολογιστεί από αυτό και τη μάζα και τις διαστάσεις της ισορροπίας. Στην πραγματικότητα, η ράβδος δεν ήταν ποτέ σε ηρεμία. Ο Cavendish έπρεπε να μετρήσει τη γωνία εκτροπής της ράβδου ενώ ταλαντούσε. [11]
Ο εξοπλισμός του Cavendish ήταν εξαιρετικά ευαίσθητος για την εποχή του. [9] Η δύναμη που συνεπάγεται η περιστροφή της ισορροπίας στρέψης ήταν πολύ μικρή, 1,74 × 10−7 Β, [12] περίπου 1⁄50.000.000 του βάρους των μικρών σφαιρών. [13] Για να αποφευχθεί η παρεμβολή των μετρήσεων των ρευμάτων αέρα και της θερμοκρασίας, ο Cavendish τοποθέτησε ολόκληρη τη συσκευή σε ένα ξύλινο κουτί πάχους περίπου 2 πόδια (0,61 m), ύψους 10 πόδια (3,0 m) και πλάτους 10 πόδια (3,0 m), όλα σε ένα κλειστό υπόστεγο στο κτήμα του. Μέσα από δύο τρύπες στους τοίχους του υπόστεγου, ο Cavendish χρησιμοποίησε τηλεσκόπια για να παρατηρήσει την κίνηση της οριζόντιας ράβδου του ισορροπίου στρέψης. Η κίνηση της ράβδου ήταν μόνο περίπου 0,16 ίντσες (4,1 mm). [14] Ο Cavendish μπόρεσε να μετρήσει αυτή τη μικρή εκτροπή με ακρίβεια μεγαλύτερη από 0,01 ίντσες (0,25 mm) χρησιμοποιώντας κλίμακες βερνιέρου στα άκρα της ράβδου. [15] Η ακρίβεια του αποτελέσματος του Cavendish δεν ξεπεράστηκε μέχρι το πείραμα του C. V. Boys το 1895. Με την πάροδο του χρόνου, η ισορροπία στρέψης του Michell έγινε η κυρίαρχη τεχνική για τη μέτρηση της σταθεράς βαρύτητας (G) και οι περισσότερες σύγχρονες μετρήσεις εξακολουθούν να χρησιμοποιούν παραλλαγές αυτής. [16]
Το αποτέλεσμα του Cavendish ήταν επίσης η πρώτη απόδειξη για έναν πλανητικό πυρήνα κατασκευασμένο από μέταλλο. Το αποτέλεσμα των 5,4 g · cm−3 είναι κοντά στο 80% της πυκνότητας του υγρού σιδήρου και 80% υψηλότερη από την πυκνότητα του εξωτερικού φλοιού της Γης, γεγονός που υποδηλώνει την ύπαρξη ενός πυκνού πυρήνα σιδήρου. [17]
Hellenica World - Scientific Library
Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License
