Gravitationsdrehwaage

Henry Cavendish bei einem Versuch mit der Drehwaage

Eine Drehwaage (auch: Torsionswaage) benutzt man zur Messung sehr kleiner Kräfte, z. B. der Massenanziehung (Gravitation) zwischen zwei Bleikugeln oder der elektrostatischen Anziehung zwischen zwei verschieden geladenen Körpern.

Das Funktionsprinzip ist: Eine große, stationäre Masse (Bleikugel) zieht eine kleinere Kugel gravitativ an. Dazu wird ein Stab mittig an einem Draht aufgehängt und an dessen Enden jeweils eine kleine Massekugel. Zwei große Massekugeln werden in geeignetem Abstand und symmetrisch zu den drehbar aufgehängten Kugeln fest montiert. Die gegenseitige Anziehung bewirkt dann eine Auslenkung bzw. Drehung des Stabes, der das Torsionsmoment des Drahtes entgegensteht. Aus dem Drehwinkel lässt sich die Gravitationskonstante berechnen.

Meist ist die wirkende Kraft so gering, dass die Positionsänderung der Kugel durch die Ablenkung eines Lichtstrahls durch einen am Aufhängefaden befestigten Spiegel (Lichtzeiger) hinreichend vergrößert werden muss, um genau bestimmt werden zu können. Um die Messung nicht durch Luftreibung zu beeinflussen, befindet sich die Waage in einem evakuierten Gefäß.

Mit der Drehwaage wurde erstmals die für die Physik und Technik (z. B. bei der Raumfahrt) sehr wichtige Gravitationskonstante
$G = (6{,}67428\pm 0{,}00067) \cdot 10^{-11}~\mathrm{\frac{m^3}{kg\,s^2}}$   bestimmt.

Geschichtliche Daten

Das Prinzip der Drehwaage bzw. Gravitations-Waage wurde von folgenden Wissenschaftlern erstmals ausgearbeitet und benutzt:

• ca. 1760 beschrieb John Michell das Prinzip der Drehwaage und baute ein Gerät, kümmerte sich dann jedoch um andere Wissenschaftsbereiche.

• 1784 beschrieb Charles-Augustin de Coulomb die Benutzung einer Drehwaage zur Untersuchung der Abstoßungs- und Anziehungskräfte elektrischer Ladungen.^[1]

• ca. 1797 gelangte Michells Apparat über Francis John Hyde Wollaston in die Hände von Henry Cavendish, der damit die Anziehungskräfte von Massen maß und so die Gravitationskonstante bestimmte. In seinem Bericht an die Königliche Gesellschaft über seine Experimente wies Cavendish ausdrücklich auf die Verdienste von Michell hin.^[2]

• 1906 baute Loránd Eötvös eine Modifikation der Drehwaage und bestimmte seinerseits die Gravitationskonstante. Vielfach wird er damit ebenfalls als „Erfinder“ der Drehwaage angesehen.

Quellen

1. ↑ „Recherches theoriques et experimentales …“
2. ↑ The Michell-Cavendish-Experiment

Weblinks

• LEIFI Physik: Die Gravitationsdrehwaage