Cos'è l'equilibrio di torsione?

Un equilibrio di torsione è un dispositivo inventato per misurare forze molto piccole come forze gravitazionali tra piccole masse o forze magnetiche tra sfere cariche. L'equilibrio di torsione è costituito da un'asta orizzontale con una sfera identica su entrambe le estremità. L'asta orizzontale ruota su un filo che la sostiene al centro. Sfere fisse e piccole di masse o cariche identiche vengono posizionate vicino alle sfere alle estremità dell'asta rotante, attirandole e facendo torcere il filo. La quantità di torsione nel filo può quindi essere matematicamente convertita nella quantità di forza tra le sfere fisse e quelle sull'asta mobile.

Quando sono note le masse delle sfere in un equilibrio di torsione, gli scienziati possono calcolare una costante gravitazionale da inserire nella legge di gravità quadrata inversa di Newton. Da questi risultati si possono ricavare piccole forze tra sfere di massa sconosciuta. Le forze tra le sfere fisse di massa sconosciuta e le sfere mobili di massa nota si trovano osservando il numero di volte che l'asta orizzontale oscilla avanti e indietro in un dato periodo di tempo. La frequenza del movimento avanti e indietro dell'asta è correlata alla sollecitazione torsionale nel filo, da cui è possibile calcolare le forze sconosciute.

Nel 1783, un fisico, Charles-Augustin de Coulomb, pubblicò la sua scoperta che la legge del quadrato inverso, proposta per la prima volta da Newton per descrivere le forze gravitazionali, poteva essere applicata a cariche magnetiche attraenti o ripugnanti. Nella legge di Coulomb, le forze attraenti o repulsive tra gli oggetti, a causa delle loro caratteristiche magnetiche, richiedevano una costante, la costante della forza di Coulomb. Quando sono note le cariche sulle sfere mobili e fisse del bilancio torsionale, è possibile calcolare la costante. Successivamente, potrebbero essere installate sfere fisse di cariche sconosciute e forze attraenti o repulsive tra loro e le sfere mobili possono essere calcolate misurando la frequenza del movimento avanti e indietro dell'asta orizzontale.

I successivi equilibri di torsione sono diventati più sofisticati e precisi nelle loro misurazioni. Gli scienziati hanno notato che dando una spinta iniziale alla barra orizzontale della bilancia, la resistenza estremamente piccola degli atomi metallici nel filo sottile che sostiene la barra potrebbe farla ruotare orizzontalmente avanti e indietro a una certa velocità. La relazione tra le tensioni torsionali nel filo metallico quando esposta alle forze infinitesimali tra corpi sferici continua a misurare con successo gli incogniti nelle equazioni della legge quadrata inversa.