Što je torzijska ravnoteža?

Torzijska vaga je uređaj izumljen za mjerenje vrlo malih sila poput gravitacijskih sila između malih masa ili magnetskih sila između nabijenih sfera. Torzijska vaga se sastoji od vodoravne šipke s identičnom kuglom na oba kraja. Horizontalna šipka rotira na žici koja ga podupire u svom središtu. Fiksne, male kugle identične mase, ili naboji, postavljaju se blizu kugli na krajevima rotirajuće šipke, privlače ih i uzrokuju uvijanje žice. Količina zavoja u žici može se zatim matematički pretvoriti u količinu sile između nepokretnih kuglica i onih na pokretnoj šipki.

Kada su poznate mase sfera u torzijskoj vagi, znanstvenici mogu izračunati gravitacijsku konstantu koju treba umetnuti u Newtonov inverzni kvadratni zakon gravitacije. Iz ovih rezultata mogu se izvesti male sile između sfera nepoznate mase. Sile između stacionarnih kugli nepoznate mase i pokretnih kugli poznate mase nalaze se promatranjem koliko se puta horizontalna šipka zamahne naprijed-natrag u određenom vremenu. Frekvencija pomicanja štapa naprijed-natrag povezana je s torzijskim naprezanjem u žici, iz čega se mogu izračunati nepoznate sile.

Godine 1783., fizičar Charles-Augustin de Coulomb objavio je svoje otkriće da se zakon obrnutog kvadrata, koji je prvi predložio Newton za opis gravitacijskih sila, može primijeniti na privlačne ili odbojne magnetske naboje. U Coulombovom zakonu, privlačne ili odbojne sile između objekata, zbog njihovih magnetskih karakteristika, zahtijevale su konstantu, konstantu Coulombove sile. Kada su naboji na pokretnoj i nepokretnoj sferi torzijske ravnoteže poznati, tada se konstanta može izračunati. Nakon toga bi se mogle postaviti fiksne kugle nepoznatih naboja i moći se izračunati privlačne ili odbojne sile između njih i pomičnih kuglica mjerenjem frekvencije naprijed-natrag gibanja vodoravne šipke.

Sukcesivne torzijske vage postale su sofisticiranije i preciznije u svojim mjerenjima. Znanstvenici su primijetili da dajući vodoravnoj šipki u ravnoteži početni pritisak, iznimno mali otpor metalnih atoma u tankoj žici koja podupire šipku može uzrokovati da se ona vodoravno rotira naprijed-natrag određenom brzinom. Odnos između torzijskih naprezanja u metalnoj žici kada je izložen beskonačno malim silama između sfernih tijela nastavlja uspješno mjeriti nepoznanice u jednadžbama inverznog kvadrata.