Fizika eksperimentov Cavendish

Kavendiški eksperiment, merjenje sile gravitacijske privlačnosti med pari svinčenih sfer, ki omogoča izračun vrednosti gravitacijske konstante, G. V Newtonovem zakonu univerzalne gravitacije je privlačna sila med dvema objektoma (F) enaka G krat produkt mase (m ₁ m ₂), deljen s kvadratom razdalje med njimi (r ²); to je F = Gm ₁ m ₂ / r ². Poskus je v letih 1797–98 opravil angleški znanstvenik Henry Cavendish. Sledil je predpisani metodi in uporabljal aparat, ki ga je zgradil njegov rojak geolog in astronom John Michell, ki je umrl leta 1793.

Naprava je imela torzijsko tehtnico: lesena palica je bila prosto viseča iz tanke žice, na vsakem koncu palice pa je visela svinčena krogla, težka 0,73 kg. Na vsakem koncu torzijske tehtnice je bila postavljena veliko večja krogla, ki je tehtala 158 kg (348 funtov). Gravitacijsko privlačnost med vsako večjo težo in vsako manjšo je potegnila konce palice vstran po stopinjah. Privlačnost med temi pari uteži je preprečila obnovitveno silo iz zasuka v žici, zaradi česar se je palica premikala od strani na stran kot vodoravno nihalo.

Cavendish in Michell svojega eksperimenta nista zamislila kot poskus merjenja G. Formulacija Newtonovega zakona gravitacije, ki vključuje gravitacijsko konstanto, se je pojavila šele v poznem 19. stoletju. Eksperiment je bil prvotno zasnovan za določitev zemeljske gostote.

Michell je verjetno nameraval uteži premikati z roko, toda Cavendish je spoznal, da bi tudi najmanjša motnja, kot je razlika med temperaturo zraka med obema stranema tehtnice, preplavila drobno silo, ki jo je želel izmeriti. Cavendish je aparat namestil v zaprto sobo, zasnovano tako, da je lahko premikal uteži od zunaj. Telesno je opazoval ravnotežje. Z merjenjem, kako daleč se je palica premikala od strani do strani in kako dolgo je trajalo to gibanje, je Cavendish lahko določil gravitacijsko silo med večjo in manjšo utežjo. Nato je to silo povezal s težo večje krogle, da je določil povprečno gostoto Zemlje 5,48-krat večjo od vode ali, v sodobnih enotah, 5,48 grama na kubični centimeter - kar je blizu današnje vrednosti 5,51 grama na kubični centimeter.

Kavendiški eksperiment je bil pomemben ne le za merjenje gostote Zemlje (in s tem njene mase), ampak tudi za dokazovanje, da je Newtonov zakon gravitacije deloval na tehtnicah, veliko manjših od tistih v osončju. Od konca 19. stoletja so izboljšave kavendiškega eksperimenta so bili uporabljeni za določitev G.