Fizica experimentului Cavendish

Experimentul Cavendish, măsurarea forței de atracție gravitațională între perechi de sfere de plumb, care permite calcularea valorii constantei gravitaționale, G. În legea lui Newton a gravitației universale, forța atractivă dintre două obiecte (F) este egală cu G ori produsul maselor lor (m ₁ m ₂) împărțit la pătratul distanței dintre ele (r ²); adică F = Gm ₁ m ₂ / r ². Experimentul a fost realizat în 1797–98 de savantul englez Henry Cavendish. A urmat o metodă prescrisă și a folosit un aparat construit, de către conaționalul său, geologul și astronomul John Michell, care murise în 1793.

Aparatul prezenta un echilibru de torsiune: o tijă de lemn a fost suspendată liber dintr-un fir subțire și o sferă de plumb în greutate de 0,73 kg (1,6 lire) atârnată de fiecare capăt al tijei. La fiecare capăt al balanței de torsiune a fost așezată o sferă mult mai mare, cu o greutate de 158 kg (348 de kilograme). Atracția gravitațională dintre fiecare greutate mai mare și fiecare mai mică a atras capetele tijei de-a lungul unei scări gradate. Atracția dintre aceste perechi de greutăți a fost contracarată de forța de refacere dintr-o răsucire a sârmei, ceea ce a determinat trecerea tijei dintr-o parte în alta ca un pendul orizontal.

Cavendish și Michell nu au conceput experimentul lor ca o încercare de a măsura G. Formularea legii gravitației lui Newton care implică constanta gravitațională nu a apărut până la sfârșitul secolului al XIX-lea. Experimentul a fost inițial conceput pentru a determina densitatea Pământului.

Michell intenționase probabil să miște greutățile de mână, dar Cavendish și-a dat seama că chiar și cea mai mică perturbare, cum ar fi cea din diferența de temperatură a aerului dintre cele două părți ale echilibrului, va înghiți forța minusculă pe care voia să o măsoare. Cavendish a așezat aparatul într-o cameră sigilată, proiectată astfel încât să poată muta greutățile din exterior. El a observat echilibrul cu un telescop. Măsurând cât de departe s-a mișcat tija dintr-o parte în alta și cât a durat acea mișcare, Cavendish putea determina forța gravitațională între greutățile mai mari și mai mici. Apoi a legat această forță cu greutatea sferelor mai mari pentru a determina densitatea medie a Pământului de 5,48 ori mai mare decât cea a apei sau, în unitățile moderne, 5,48 grame pe centimetru cub - aproape de valoarea modernă de 5,51 grame pe centimetru cub.

Experimentul Cavendish a fost semnificativ nu numai pentru măsurarea densității Pământului (și, prin urmare, a masei sale), ci și pentru a demonstra că legea gravitației a lui Newton a funcționat la solzi mult mai mici decât cele ale sistemului solar. Începând cu sfârșitul secolului XIX, rafinamentele experimentului Cavendish au a fost folosit pentru determinarea lui G.