W 1798 roku naukowiec Henry Cavendish przeprowadzał eksperymenty z kulami w ciemnym, zamkniętym pomieszczeniu, szacując w ten sposób przybliżoną gęstość Ziemi.
Ziemia i Księżyc. Zdjęcie: NASA
Pod koniec XVII wieku naukowiec Isaac Newton sformułował prawo powszechnego ciążenia: każda cząstka przyciąga każdą inną cząstkę we wszechświecie z siłą (F), określoną przez jej masę (M) i kwadrat odległości między środkami tych obiektów (R). Przy stałej grawitacyjnej G równanie tego prawa wygląda następująco: F = G(M1xM2/ R2 ).
Zatem znając masę jednego z obiektów i inne informacje z równania, można obliczyć masę drugiego obiektu. Zakładając, że dana osoba ma znaną masę, może ona obliczyć masę Ziemi, jeśli zna odległość od jej środka. Problem polega na tym, że w czasach Newtona naukowcy nie określili jeszcze siły grawitacji (G), więc zważenie Ziemi było niemożliwe.
Znajomość masy i gęstości Ziemi byłaby niezwykle przydatna dla astronomów, ponieważ pomogłaby im obliczyć masę i gęstość innych obiektów w Układzie Słonecznym. W 1772 roku Królewskie Towarzystwo w Londynie powołało „Komisję Grawitacyjną” w celu zbadania tego zagadnienia.
W 1774 roku grupa ekspertów podjęła próbę pomiaru średniej gęstości Ziemi, badając wulkan Schiehallion w Szkocji. Zaobserwowali, że ogromna masa Schiehallionu przyciągała w swoim kierunku wahadła. Dlatego obliczyli gęstość Ziemi, mierząc ruch wahadła i badając górę. Jednak pomiar ten nie był zbyt dokładny.
Ilustracja przedstawiająca naukowca Henry'ego Cavendisha i jego eksperyment z wagą Ziemi. Zdjęcie: Wikimedia
Geolog, pastor John Michell, również badał masę Ziemi, ale nie zdążył dokończyć swoich badań przed śmiercią. Brytyjski naukowiec Henry Cavendish wykorzystał instrumenty Michella do przeprowadzenia eksperymentów.
Zbudował dużą hantelkę z ołowianymi kulami o szerokości 5 cm przymocowanymi do obu końców drewnianego pręta o długości 183 cm. Pręt zawieszono na sznurku pośrodku, dzięki czemu mógł się swobodnie obracać. Następnie, w pobliżu pierwszego hantelka, umieszczono drugą hantelkę z dwiema ołowianymi kulami o szerokości 30 cm, każda o wadze 159 kg, tak aby większe kule przyciągały mniejsze, wywierając niewielką siłę na pręt. Cavendish godzinami uważnie obserwował drgania pręta.
Siła grawitacji między kulami była tak słaba, że nawet najmniejszy podmuch powietrza mógł zakłócić ten skomplikowany eksperyment. Cavendish umieścił urządzenie w szczelnym pomieszczeniu, aby uniknąć zewnętrznych prądów powietrza. Obserwował eksperyment przez okno za pomocą teleskopu i zamontował układ bloczków, aby przesuwać obciążniki z zewnątrz. Pomieszczenie było zaciemnione, aby zapobiec różnicom temperatur między różnymi jego częściami, które mogłyby wpłynąć na eksperyment.
W czerwcu 1798 roku Cavendish opublikował swoje wyniki w czasopiśmie „ Transactions of the Royal Society ” w pracy zatytułowanej „Określanie gęstości Ziemi”. Stwierdził, że gęstość Ziemi jest 5,48 razy większa niż gęstość wody, czyli 5,48 g/cm³, co jest wartością zbliżoną do współczesnej wartości 5,51 g/cm³.
Eksperyment Cavendisha był znaczący nie tylko dla pomiaru gęstości i masy Ziemi (szacowanej na około 5,974 biliarda kg), ale także dla udowodnienia, że prawo powszechnego ciążenia Newtona obowiązuje w znacznie mniejszej skali niż w przypadku Układu Słonecznego. Od końca XIX wieku udoskonalone wersje eksperymentu Cavendisha były wykorzystywane do wyznaczania G.
Thu Thao (według IFL Science , APS )
Link źródłowy
Komentarz (0)