Hva er Torsionsbalansen?

En torsjonsbalanse er en enhet som er oppfunnet for å måle veldig små krefter som gravitasjonskrefter mellom små masser eller magnetiske krefter mellom ladde kuler. Torsjonsbalansen består av en horisontal stang med en identisk kule i hver ende. Den horisontale stangen roterer på en ledning som støtter den i midten. Faste, små kuler med identiske masser eller ladninger, plasseres nær kulene i endene av den roterende stangen, og tiltrekker dem og får ledningen til å vri seg. Mengden av vri i ledningen kan deretter matematisk konverteres til mengden kraft mellom de stasjonære kulene og de på den bevegelige stangen.

Når massene av kulene i en torsjonsbalanse er kjent, kan forskere beregne en gravitasjonskonstant som skal settes inn i Newtons omvendte firkantede gravitasjonslov. Fra disse resultatene kan små krefter mellom kuler med ukjent masse avledes. Kreftene mellom stasjonære sfærer med ukjent masse og de bevegelige kulene med kjent masse blir funnet ved å observere antall ganger de horisontale stengene svinger frem og tilbake i en gitt tidsperiode. Frekvensen av stangens frem og tilbake bevegelse er relatert til torsjonsspenningen i ledningen, hvorfra de ukjente kreftene kan beregnes.

I 1783 publiserte en fysiker, Charles-Augustin de Coulomb, sin oppdagelse om at den omvendte kvadratloven, først foreslått av Newton for å beskrive gravitasjonskrefter, kunne brukes på attraktive eller frastøtende magnetiske ladninger. I Coulombs lov krevde attraktive eller frastøtende krefter mellom objekter på grunn av deres magnetiske egenskaper en konstant, Coulomb-styrken konstant. Når ladningene på bevegelige og faste kuler i torsjonsbalansen er kjent, kan konstanten beregnes. Deretter kan faste kuler med ukjente ladninger installeres, og attraktive eller frastøtende krefter mellom dem og de bevegelige kulene kan beregnes ved å måle frekvensen for frem og tilbake bevegelse av den horisontale stangen.

Suksessive torsjonsbalanser er blitt mer sofistikerte og presise i sine målinger. Forskere bemerket at ved å gi den horisontale stangen i balansen et første trykk, kan den ekstremt små motstanden til metallatomer i den tynne ledningen som støtter stangen føre til at den roterer horisontalt frem og tilbake med en viss hastighet. Forholdet mellom torsjonsspenningene i metalltråden når de blir utsatt for de uendelige kreftene mellom sfæriske legemer, fortsetter å måle de ukjente i omvendte kvadrat-lovligninger.