Cavendish-koefysiikka

Cavendish-koe, gravitaatiovoiman mittaus lyijypalloparien välillä, mikä mahdollistaa gravitaatiovakion arvon laskemisen, G. Newtonin yleisen painovoimalain mukaan houkutteleva voima kahden esineen välillä (F) on yhtä suuri kuin G kertaa niiden massojen tulo (m ₁ m ₂) jaettuna niiden välisen etäisyyden neliöllä (r ²); eli F = Gm ₁ m ₂ / r ². Kokeen suoritti vuosina 1797–98 englantilainen tiedemies Henry Cavendish. Hän seurasi menetelmää, jonka hän käytti maanmiehensä, geologin ja tähtitieteilijä John Michellin, kuolleen vuonna 1793, rakentamiseksi.

Laitteessa oli vääntötasapaino: puinen sauva ripustettiin vapaasti ohuesta langasta ja sauvan molemmista päistä ripustettiin 0,73 kg painava lyijypallo. Vääntötason kumpaankin päähän asetettiin paljon suurempi pallo, paino 158 kg (348 puntaa). Kunkin suuremman painon ja jokaisen pienemmän painon välinen painovoima veti sauvan päät syrjään asteikolla. Näiden painoparien väliseen vetovoimaan vastasi viiran kierteestä johtuva palautusvoima, joka sai sauvan liikkumaan sivulta toiselle kuin vaakasuora heiluri.

Cavendish ja Michell eivät ajatelleet kokeiluaan yritykseksi mitata G. Newtonin painovoimalaki muodostui gravitaatiovakion mukaan vasta vasta 1800-luvun lopulla. Koe suunniteltiin alun perin maan tiheyden määrittämiseksi.

Michell oli todennäköisesti aikonut siirtää painoja käsin, mutta Cavendish tajusi, että pieninkin häiriö, kuten esimerkiksi tasapainon molemmin puolin esiintyvä ilman lämpötilan ero, hävittää pienen voiman, jonka hän halusi mitata. Cavendish sijoitti laitteen suljettuun huoneeseen, joka oli suunniteltu niin, että hän pystyi siirtämään painoja ulkopuolelta. Hän tarkkaili tasapainoa kaukoputken avulla. Mittaamalla kuinka kauan sauva liikkui sivulta toiselle ja kuinka kauan tämä liike kesti, Cavendish pystyi määrittämään painovoiman suurempien ja pienempien painojen välillä. Sitten hän suhteutti tämän voiman suurempien pallojen painoon määrittääksesi maapallon keskimääräisen tiheyden 5,48-kertaiseksi veden tiheyteen tai, nykyaikaisissa yksiköissä, 5,48 grammaa kuutiometriä kohti - lähellä nykyaikaista arvoa 5,51 grammaa kuutiometriä kohti.

Cavendish-kokeilu oli merkityksellinen paitsi maan tiheyden (ja siten sen massan) mittaamisen lisäksi myös sen todistamisessa, että Newtonin painovoimalaki toimi paljon pienemmissä asteikoissa kuin aurinkokunnan järjestelmä. on käytetty määrittämään G.