Was ist das Torsionsgleichgewicht?

Eine Torsionswaage ist ein Gerät, das erfunden wurde, um sehr kleine Kräfte wie Gravitationskräfte zwischen kleinen Massen oder Magnetkräfte zwischen geladenen Kugeln zu messen. Die Torsionswaage besteht aus einem horizontalen Stab mit einer identischen Kugel an beiden Enden. Die horizontale Stange dreht sich auf einem Draht, der sie in der Mitte trägt. Feste, kleine Kugeln mit identischen Massen oder Ladungen werden in der Nähe der Kugeln an den Enden der rotierenden Stange platziert, wodurch sie angezogen und der Draht verdreht wird. Das Ausmaß der Verdrehung im Draht kann dann mathematisch in das Ausmaß der Kraft zwischen den stationären Kugeln und denen auf der sich bewegenden Stange umgewandelt werden.

Wenn die Massen der Kugeln in einem Torsionsgleichgewicht bekannt sind, können die Wissenschaftler eine Gravitationskonstante berechnen, die in Newtons inverses quadratisches Gravitationsgesetz eingefügt wird. Aus diesen Ergebnissen können kleine Kräfte zwischen Kugeln unbekannter Masse abgeleitet werden. Die Kräfte zwischen stationären Kugeln unbekannter Masse und sich bewegenden Kugeln bekannter Masse werden durch Beobachtung der Häufigkeit ermittelt, mit der der horizontale Stab in einer bestimmten Zeitspanne hin und her schwingt. Die Frequenz der Hin- und Herbewegung des Stabes hängt von der Torsionsspannung im Draht ab, aus der die unbekannten Kräfte berechnet werden können.

Im Jahr 1783 veröffentlichte der Physiker Charles-Augustin de Coulomb seine Entdeckung, dass das von Newton zuerst vorgeschlagene Gesetz der inversen Quadrate zur Beschreibung der Gravitationskräfte auf anziehende oder abstoßende magnetische Ladungen angewendet werden könnte. Nach dem Coulombschen Gesetz erforderten anziehende oder abstoßende Kräfte zwischen Objekten aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften eine Konstante, die Coulombsche Kraftkonstante. Wenn die Ladungen auf den sich bewegenden und festen Kugeln des Torsionsgleichgewichts bekannt sind, kann die Konstante berechnet werden. Anschließend könnten feste Kugeln mit unbekannten Ladungen installiert und Anziehungs- oder Abstoßungskräfte zwischen ihnen und den sich bewegenden Kugeln berechnet werden, indem die Häufigkeit der Hin- und Herbewegung des horizontalen Stabes gemessen wird.

Aufeinanderfolgende Torsionswuchten sind in ihren Messungen ausgefeilter und genauer geworden. Die Wissenschaftler stellten fest, dass der extrem kleine Widerstand der Metallatome im dünnen Draht, der den Stab trägt, dazu führen kann, dass sich der horizontale Stab in der Waage mit einer bestimmten Geschwindigkeit hin und her dreht. Die Beziehung zwischen den Torsionsspannungen im Metalldraht, wenn er den infinitesimalen Kräften zwischen kugelförmigen Körpern ausgesetzt ist, misst weiterhin erfolgreich die Unbekannten in inversen Gleichungen nach dem Quadratgesetz.