Trong số các công trình của Cavendish, nổi bật nhất là thí nghiệm giúp ông xác định khối lượng Trái đất. Thí nghiệm này ngày nay được gọi là “Thí nghiệm Cavendish”. Và hôm nay chúng ta sẽ lặp lại thí nghiệm này một lần nữa, nhưng trong một phiên bản rất nhỏ do các nhà nghiên cứu Áo thực hiện.
Đầu tiên, hãy quay lại thí nghiệm Cavendish. Chắc hẳn nhiều người sẽ thắc mắc mối liên hệ giữa hai vật thể rất khác nhau – Trái đất và quả cầu kim loại là gì?
Nó phải bắt đầu với Newton. Năm 1687, nhà vật lý người Anh đưa ra lý thuyết về lực hấp dẫn của mình: Mọi vật có khối lượng đều có lực hút lên các vật xung quanh.
Theo quan điểm của Newton, định luật này là phổ quát, lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng, khoảng cách của chúng và một yếu tố được gọi là “Hằng số hấp dẫn”.
Thí nghiệm Cavendish, được thực hiện vào năm 1797–1798 bởi nhà khoa học người Anh Henry Cavendish, là thí nghiệm đầu tiên đo lực hấp dẫn giữa các khối lượng trong phòng thí nghiệm và là thí nghiệm đầu tiên mang lại giá trị chính xác. đối với hằng số hấp dẫn. Do việc sử dụng các quy ước về đơn vị, hằng số hấp dẫn không xuất hiện rõ ràng trong công trình của Cavendish. Thay vào đó, kết quả ban đầu được biểu thị bằng trọng lượng riêng của Trái đất. Các thí nghiệm của ông đã đưa ra các giá trị chính xác đầu tiên cho các hằng số địa vật lý này.
Hơn một thế kỷ sau, Cavendish có một ý tưởng tuyệt vời khác vào năm 1798: trên tiền đề rằng khối lượng của quả cầu kim loại đã được biết, giá trị của hằng số hấp dẫn có thể được tính bằng cách đo lực hấp dẫn. lên quả bóng. Trên cơ sở nắm vững giá trị này và biết được độ lớn của lực hấp dẫn của Trái đất, Cavendish đã sử dụng công thức Newton để suy ra khối lượng của Trái đất khi đó chưa được biết đến.
Tuy nhiên, điều này nói thì dễ hơn làm. Vì lực hấp dẫn của các vật thể thông thường rất yếu, nên nó sẽ phải sử dụng các vật cực nặng để làm việc. Khi đó, Cavendish đã sử dụng một quả cầu chì có khối lượng hàng trăm kg, và kết quả mà anh ta tính được chỉ có sai số 1%!
Cavendish gắn hai quả bóng kim loại vào hai đầu của một thanh gỗ dài 1,8m. Anh dùng một sợi dây mảnh để treo toàn bộ hệ thống lên và giữ thanh gỗ nằm ngang. Sau đó người đó dùng hai viên bi bằng chì, mỗi viên nặng 158 kg di chuyển lại gần hai viên bi ở hai đầu thanh gỗ. Để tránh bị gió thổi, dẫn đến sai sót trong thí nghiệm, ông đặt hệ thống trong một căn phòng kín gió và quan sát nó bằng kính thiên văn qua cửa sổ. Căn phòng cũng được giữ tối để tránh chênh lệch nhiệt độ ở các nơi khác nhau trong phòng, ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm.
Theo tính toán của mình, Cavendish cho rằng khối lượng của Trái đất vào khoảng 6 × 10 ^ 24 kg, sai số của Cavendish khi tính khối lượng của Trái đất theo kg vẫn là cực kỳ lớn, nhưng vào thời điểm đó. , thực hiện các thí nghiệm và tính toán như vậy là một điều không tưởng.
Theo thời gian, quy mô của cuộc thử nghiệm đã được giảm bớt, nhưng nguyên tắc vẫn được giữ nguyên. Khi các quả cầu lơ lửng bị hút vào một vật ở gần, nó sẽ kéo thanh nối với nó chuyển động. Bằng cách đo góc quay, các nhà nghiên cứu có thể suy ra độ lớn của độ dịch chuyển và độ lớn của lực hấp dẫn.
Lần này, các nhà nghiên cứu Áo đã sử dụng một quả cầu vàng có đường kính chỉ 2 mm và khối lượng chưa đến 0,1 gam! Sau khi đo độ lớn của lực hấp dẫn, họ ước tính giá trị của hằng số hấp dẫn theo phương pháp của Cavendish. Trên thực tế, thí nghiệm này có sai số lên tới 10% giữa khối lượng Trái đất tính toán và khối lượng Trái đất đã biết. Mặc dù sai số này có vẻ lớn, nhưng đây là lần đầu tiên lực hút yếu mà một vật thể nhẹ như vậy có thể tạo ra.
Các nhà nghiên cứu Áo tiến hành các thí nghiệm trong thiết lập chân không.
Để đảm bảo sự thành công của thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một số phương tiện bảo vệ chống lại bất kỳ sự can thiệp nào từ bên ngoài, đặc biệt là vì vật thể càng nhẹ thì càng có nhiều khả năng ở bên ngoài. lớn hơn. Do đó, thử nghiệm phải được thực hiện trong chân không, và một lò xo cần được lắp dưới thiết bị để hoạt động như một bộ giảm xóc. Ngoài ra, thử nghiệm được thực hiện vào đêm Giáng sinh, khi ít xe cộ qua lại và ít rung lắc hơn trên đường phố.
Trên thực tế, lý do các nhà nghiên cứu đưa một quả bóng nhỏ như vậy vào thiết bị thí nghiệm không phải để tính toán khối lượng của Trái đất, mà để xác minh xem định luật hấp dẫn có thực sự là phổ quát hay không. .
Thông tin thêm về thử nghiệm Cavendish
Thiết bị do Cavendish chế tạo là một cân xoắn làm bằng một thanh gỗ dài 1,8 m treo ngang trên một sợi dây, mỗi đầu gắn hai quả cầu cầu chì có đường kính 51 mm và trọng lượng 0,73 kg. Sau đó, hai quả bóng khác, cũng bằng chì, nhưng có đường kính 300 mm và nặng 158 kg, được đặt gần các quả cầu nhỏ, khoang chứa chúng là 225 mm và được giữ cố định bằng một hệ thống treo riêng biệt. Theo đó, thí nghiệm này sẽ đo lực hút trọng trường mờ giữa những quả cầu nhỏ và những quả cầu lớn hơn.
Hai quả cầu lớn được đặt xen kẽ vào các cạnh của thanh gỗ nằm ngang của cái cân. Lực hút lẫn nhau của chúng đối với các quả cầu nhỏ làm cho cánh tay quay và làm xoắn sợi dây hỗ trợ cánh tay. Cánh tay ngừng quay khi nó đạt đến một góc mà lực xoắn của sợi dây bằng lực hút tổng hợp giữa các cầu chì lớn và nhỏ. Bằng cách đo góc của thanh và biết lực xoắn (mô-men xoắn) của sợi dây ở một góc nhất định, Cavendish đã có thể xác định lực giữa các cặp khối lượng. Vì lực hấp dẫn của Trái đất tác dụng lên quả cầu nhỏ có thể được đo trực tiếp bằng cách cân nó, tỷ số của hai lực cho phép tính trọng lượng riêng của Trái đất bằng cách sử dụng Định luật Trọng lực. của Newton.
Tổng hợp: Công Nghệ Chính Nhân
