تجربة "وزن" الأرض منذ أكثر من 200 عام

[إعلان 1]

في عام 1798، أجرى العالم هنري كافنديش تجارب على كرات في غرفة مظلمة مغلقة، وقام بحساب الكثافة التقريبية للأرض.

الأرض والقمر. الصورة: ناسا — الأرض والقمر. الصورة: *ناسا*

في أواخر القرن السابع عشر، اقترح العالم إسحاق نيوتن قانون الجاذبية الكونية: كل جسيم يجذب كل جسيم آخر في الكون بقوة (F) تحددها كتلته (M) ومربع المسافة بين مركزي الجسمين (R). وبما أن G هو ثابت الجاذبية، فإن معادلة هذا القانون هي: F = G(M1xM2/R ² ).

وبالتالي، إذا عرفنا كتلة أحد الجسمين والمعلومات الأخرى للمعادلة، فيمكننا حساب كتلة الجسم الثاني. لنفترض أن شخصًا له كتلة معروفة، يمكن لهذا الشخص حساب كتلة الأرض إذا كان يعرف المسافة التي تفصله عن مركز الأرض. المشكلة هي أنه في زمن نيوتن، لم يكن العلماء قد حددوا بعد قيمة G، لذا كان وزن الأرض مستحيلاً.

إن معرفة كتلة الأرض وكثافتها سيكون مفيدًا للغاية لعلماء الفلك لأنه سيساعدهم في حساب كتل وكثافات الأجسام الأخرى في النظام الشمسي. في عام 1772، أنشأت الجمعية الملكية في لندن "لجنة الجاذبية" لدراسة هذا الأمر.

في عام 1774، حاولت مجموعة من الخبراء قياس الكثافة المتوسطة للأرض عبر جبل شيهاليون في اسكتلندا. وأشاروا إلى أن الكتلة الهائلة لشيهاليون تجذب البندولات نحوها. فقاموا بحساب كثافة الأرض عن طريق قياس حركة البندول ومسح الجبل. ومع ذلك، فإن هذا القياس ليس دقيقا جدا.

رسم توضيحي للعالم هنري كافنديش وتجربته في وزن الأرض. الصورة: ويكيميديا — رسم توضيحي للعالم هنري كافنديش وتجربته "وزن" الأرض. الصورة: *ويكيميديا*

كما قام الجيولوجي القس جون ميتشل بدراسة كتلة الأرض، لكنه لم يتمكن من إكمالها قبل وفاته. استخدم العالم البريطاني هنري كافنديش معدات ميشيل لإجراء التجارب.

قام بصنع دمبل كبير، مع كرات من الرصاص بعرض 5 سم متصلة بنهايات قضيب خشبي يبلغ طوله 183 سم. يتم تعليق الشريط الخشبي من خيط في المنتصف ويمكنه الدوران بحرية. ثم يتم تقريب وزن ثان مكون من كرتين من الرصاص بعرض 30 سم ووزن كل منهما 159 كجم من الوزن الأول بحيث تجذب الكرات الأكبر الكرات الأصغر مما يؤثر بقوة طفيفة على قضيب التعليق. راقب كافنديش تذبذبات الشريط بعناية لساعات.

إن قوة الجاذبية بين الكرات ضعيفة للغاية لدرجة أن أدنى تيار هوائي يمكن أن يفسد هذه التجربة الدقيقة. وضع كافنديش الجهاز في غرفة مغلقة لتجنب تدفق الهواء الخارجي. لقد استخدم تلسكوبًا لمراقبة التجربة من خلال نافذة وقام بإعداد نظام بكرة لتحريك الأوزان من الخارج. تم إبقاء الغرفة مظلمة لتجنب اختلاف درجات الحرارة بين أجزاء الغرفة المختلفة، مما قد يؤثر على التجربة.

في يونيو 1798، نشر كافنديش نتائجه في مجلة معاملات الجمعية الملكية في دراسة بعنوان "تجربة لتحديد كثافة الأرض". وأظهر أن كثافة الأرض كانت 5.48 مرة كثافة الماء، أو 5.48 جم/سم3، وهي قريبة جدًا من القيمة الحديثة التي تبلغ 5.51 جم/سم3.

كانت تجربة كافنديش مهمة ليس فقط لقياس كثافة وكتلة الأرض (التي تقدر بنحو 5.974 كوادريليون كيلوغرام)، بل وأيضاً لإثبات أن قانون نيوتن للجاذبية الكونية ينطبق أيضاً على مقاييس أصغر كثيراً من مقياس النظام الشمسي. منذ أواخر القرن التاسع عشر، تم استخدام إصدارات محسنة من اختبار كافنديش لتحديد G.

ثو ثاو (وفقًا لـ IFL Science و APS )

[إعلان 2]
رابط المصدر