Cavendish experimentele fysica

Cavendish-experiment, meting van de aantrekkingskracht van zwaartekracht tussen paren van loodbollen, waarmee de waarde van de zwaartekrachtconstante kan worden berekend, G. In de wet van universele gravitatie van Newton is de aantrekkingskracht tussen twee objecten (F) gelijk aan G maal het product van hun massa (m ₁ m ₂) gedeeld door het kwadraat van de afstand ertussen (r ²); dat wil zeggen F = Gm ₁ m ₂ / r ². Het experiment werd uitgevoerd in 1797–988 door de Engelse wetenschapper Henry Cavendish. Hij volgde een voorgeschreven methode en gebruikte een apparaat dat was gebouwd door zijn landgenoot, de geoloog en astronoom John Michell, die in 1793 was overleden.

Het apparaat had een torsiebalans: een houten staaf hing vrij aan een dunne draad en aan elk uiteinde van de staaf hing een loden bol van 0,73 kg (1,6 pond). Aan elk uiteinde van de torsiebalans werd een veel grotere bol geplaatst, met een gewicht van 158 kg (348 pond). De aantrekkingskracht tussen elk groter gewicht en elk kleiner gewicht trok de uiteinden van de staaf langs een schaalverdeling opzij. De aantrekkingskracht tussen deze gewichtenparen werd tenietgedaan door de herstellende kracht van een draaiing in de draad, waardoor de staaf als een horizontale slinger heen en weer bewoog.

Cavendish en Michell vatten hun experiment niet op als een poging om G. te meten. De formulering van Newton's gravitatiewet met betrekking tot de zwaartekrachtconstante vond pas plaats aan het einde van de 19e eeuw. Het experiment was oorspronkelijk bedacht om de dichtheid van de aarde te bepalen.

Michell was waarschijnlijk van plan de gewichten met de hand te verplaatsen, maar Cavendish realiseerde zich dat zelfs de kleinste storing, zoals die van het verschil in luchttemperatuur tussen de twee zijden van de balans, de kleine kracht die hij wilde meten, zou ondermijnen. Cavendish plaatste het apparaat in een afgesloten ruimte die ontworpen was om de gewichten van buitenaf te kunnen verplaatsen. Hij observeerde de balans met een telescoop. Door te meten hoe ver de staaf van links naar rechts bewoog en hoe lang die beweging duurde, kon Cavendish de zwaartekracht tussen de grotere en kleinere gewichten bepalen. Vervolgens bracht hij die kracht in verband met het gewicht van de grotere bollen om de gemiddelde dichtheid van de aarde te bepalen op 5,48 keer die van water, of, in moderne eenheden, 5,48 gram per kubieke centimeter - dicht bij de moderne waarde van 5,51 gram per kubieke centimeter.

Het Cavendish-experiment was niet alleen belangrijk voor het meten van de dichtheid van de aarde (en dus de massa), maar ook om te bewijzen dat de gravitatiewet van Newton werkte op schalen die veel kleiner waren dan die van het zonnestelsel. Sinds het einde van de 19e eeuw hebben verfijningen van het Cavendish-experiment is gebruikt voor het bepalen van G.