<<
>>

Классические методы измерения G крутильными весами

Английский физик Г. Кавендиш в 1798 году осуществил первые опыты по определению средней плотности Земли и постоянной тяготения с помощью крутильных весов [Cavendish 1798]. В дальнейшем различные авторы многократно использовали крутильные весы при осуществлении аналогичных опытов.

Подобные эксперименты описаны в работах [Reich 1838; Baily 1842; Cornu, Bailie 1873; Boys 1889; Eotvos 1896; Braun 1897a, b; Heyl 1930; Heyl, Chrzanowski 1942; Брызжев 1970; Facy, Pontikis 1971; Сагитов и dp. 1977; Luther, Towler 1982; Saulnier, Frisch 1989; Карагиоз, Измайлов 1996; Fitzgerald, Armstrong 1999; Luo et ai 1999, 2009; Meyer et al. 1999; Schurr et al. 1999; Kleinevoss et al. 1999; Quinn et al. 2001; Nolting et al. 1999; Armstrong, Fitzgerald 2003; Schlammiger et al. 2006].

Успех опытов с крутильными весами в значительной мере зависит от их чувствительности, пропорциональной квадрату периода колебаний. Рост чувствительности достигается увеличением габаритов и уменьшением диаметра нити. Увеличение габаритов весов ограничено размерами корпуса, предназначенного для защиты весов от конвективных потоков воздуха [Успенский 1930]. Однако даже в случае использования многослойных металлических экранов защита оказывается малоэффективной и ограничивает стабильность весов на уровне единиц или даже десятков этвеш (1 Э=1 • 10"9/с2). Размещение весов в высоком вакууме ведет к радикальному повышению стабильности до уровня сотых долей этвеша.

Увеличение чувствительности путем уменьшения диаметра нити ограничено ее прочностными характеристиками. При малом запасе прочности существенно усложняется процесс изготовления весов, возрастает угроза обрыва нити при транспортировке или случайных сотрясениях, значительно возрастает вероятность разрыва нити при термомеханической обработке током высокой частоты, позволяющим уменьшить декремент затухания и дрейф положения равновесия.

Желательно иметь достаточно большой запас прочности, с точки зрения сохранения малонапряженного состояния, материала нити подвеса, исключающего вероятность отклонения упругих деформаций при закручивании от линейного закона Гука.

В опытах П. Хейла и П. Хржановского [Heyl, Chrzanowski 1942] нить весов имела примерно двойной запас прочности на разрыв и находилась в сильно напряженном состоянии. Наличие больших притягивающих масс позволило частично ослабить влияние различных дестабилизирующих факторов, связанных, например, с флуктуациями температуры, направленными потоками разреженного газа, воздействием микросейсм. В работе [Сагитов и др. 1977] аналогичный эффект был получен за счет увеличения габаритов крутильных весов. Притягивающие массы изготавливались в виде стальных круговых цилиндров. Отказ от наиболее простой и традиционной шаровой формы взаимодействующих масс связан со стремлением упростить технологию их изготовления, увеличить величину притягивающего момента, разнообразить материал и форму взаимодействующих тел. При этом существенно возрастает громоздкость аналитических формул, используемых при определении G. Отсутствие демпфера качаний и высокого вакуума является слабой стороной работ [Сагитов и др. 1977; Heyl 1930; Heyl, Chrzanowski 1942], но наличие указанных выше достоинств (большого периода колебаний, крупных габаритов установки) обеспечило получение в данных экспериментах сравнительно небольшой погрешности определения G.

В экспериментальных работах использовалось два метода определения гравитационной постоянной — статический и динамический. В более ранних работах использовался только статический режим, в котором измеряемой величиной является смещение положения равновесия весов. Ф. Райх [Reich 1838] сделал первую попытку применить динамический метод, когда притяжение между взаимодействующими массами измеряется по периодам крутильных колебаний. Попытка Райха оказалась не вполне удачной. Спустя сто лет динамический метод становится основным.

В опытах по определению гравитационной постоянной К. Браун [Braun 1897] наряду со статическим уже успешно использовал и динамический метод, а венгерский физик Р. Этвеш [Eotvos 1896] впервые стал использовать только динамический метод. В его приборе притягивающие массы были изготовлены из свинца в виде двух параллелепипедов. В пространстве между ними устанавливалась крутильная система, период колебаний которой при различных ориентациях коромысла составлял либо 641, либо 860 секунд. Измерения проводились в воздухе.

В последние годы большинство авторов отдает предпочтение динамическому методу определения гравитационной постоянной. Возрастание времени релаксации весов на несколько порядков за счет устранения вязкого трения о воздух позволило проводить измерения периодов колебаний весов при практически постоянной амплитуде, что способствовало развитию динамического метода. К некоторым недостаткам последнего можно отнести лишь усложнение расчетов и необходимость учета различных нелинейных эффектов, связанных, например, с агармоничностью колебаний крутильных весов. 

<< | >>
Источник: Бровар B.В.. ГРАВИМЕТРИЯ И ГЕОДЕЗИЯ. 2010

Еще по теме Классические методы измерения G крутильными весами:

  1. Классические методы измерения G крутильными весами