Quelle est la balance de torsion?
Une balance à torsion est un appareil inventé pour mesurer de très petites forces, telles que des forces de gravitation entre petites masses ou des forces magnétiques entre des sphères chargées. La balance de torsion consiste en une tige horizontale avec une sphère identique à chaque extrémité. La tige horizontale tourne sur un fil qui la soutient en son centre. Des petites sphères fixes de masses identiques, ou charges, sont placées près des sphères aux extrémités de la tige rotative, les attirant et provoquant la torsion du fil. La quantité de torsion dans le fil peut ensuite être convertie mathématiquement en quantité de force entre les sphères stationnaires et celles sur la tige en mouvement.
Lorsque les masses des sphères dans une balance de torsion sont connues, les scientifiques peuvent calculer une constante gravitationnelle à insérer dans la loi de la gravitation inverse de Newton. On peut déduire de ces résultats de petites forces entre des sphères de masse inconnue. Les forces entre les sphères stationnaires de masse inconnue et les sphères mobiles de masse connue sont détectées en observant le nombre de fois où la tige horizontale oscille dans un laps de temps donné. La fréquence du mouvement de va-et-vient de la tige est liée à la contrainte de torsion dans le fil, à partir de laquelle les forces inconnues peuvent être calculées.
En 1783, un physicien, Charles-Augustin de Coulomb, publia sa découverte selon laquelle la loi des carrés inverses, proposée pour la première fois par Newton pour décrire les forces de gravitation, pourrait être appliquée à des charges magnétiques attractives ou répulsives. Dans la loi de Coulomb, les forces attractives ou répulsives entre objets, en raison de leurs caractéristiques magnétiques, nécessitaient une constante, constante de la force de Coulomb. Lorsque les charges sur les sphères fixes et mobiles de la balance de torsion sont connues, la constante peut être calculée. Par la suite, des sphères fixes de charges inconnues pourraient être installées et des forces attractives ou répulsives entre elles et les sphères mobiles pourraient être calculées en mesurant la fréquence de mouvement de va-et-vient de la tige horizontale.
Les balances de torsion successives sont devenues plus sophistiquées et précises dans leurs mesures. Les scientifiques ont noté qu’en donnant une poussée initiale à la tige horizontale dans la balance, la résistance extrêmement faible des atomes métalliques dans le fil fin supportant la tige pouvait provoquer sa rotation horizontale dans un sens ou dans l’autre. La relation entre les contraintes de torsion dans le fil métallique lorsqu’elle est exposée aux forces infinitésimales entre corps sphériques continue de mesurer avec succès les inconnues dans les équations de la loi des carrés inverses.