Balanza de torsión

Una balanza de torsión es un dispositivo inventado para medir fuerzas muy pequeñas, como las fuerzas gravitatorias entre pequeñas masas o las fuerzas magnéticas entre bolas cargadas. La balanza de torsión consiste en una varilla horizontal con una bola idéntica en ambos extremos. La varilla horizontal gira sobre un cable que la sostiene en el centro.

 

Cerca de las bolas de los extremos de la varilla giratoria se colocan pequeñas bolas fijas de idéntica masa, o cargas, que las atraen y hacen que el cable se retuerza. La cantidad de torsión en el cable se puede convertir matemáticamente en la cantidad de fuerza entre las esferas fijas y las de la varilla móvil.

 

Cuando se conocen las masas de las esferas en una balanza de torsión, los científicos pueden calcular una constante gravitatoria que se incluye en la ley de gravitación inversa al cuadrado de Newton. Una vez obtenidos los resultados, es posible derivar pequeñas fuerzas entre esferas de masa desconocida. Las fuerzas entre esferas fijas de masa desconocida y esferas móviles de masa conocida pueden hallarse observando el número de veces que la varilla horizontal oscila hacia delante y hacia atrás en un intervalo de tiempo determinado. La frecuencia del movimiento de ida y vuelta de la varilla está relacionada con la tensión de torsión en el cable, a partir de la cual se pueden calcular las fuerzas desconocidas.

 

En 1783, un físico, Charles-Augustin de Coulomb, publicó su descubrimiento de que la ley del cuadrado inverso, propuesta por primera vez por Newton para describir las fuerzas gravitatorias, podía aplicarse a las cargas magnéticas atractivas o repulsivas. En la ley de Coulomb, las fuerzas de atracción o repulsión entre objetos, debido a sus características magnéticas, requieren una constante, la constante de fuerza de Coulomb. Cuando se conocen las cargas de las esferas móviles y fijas de la balanza de torsión, se puede calcular la constante. Posteriormente, pueden instalarse esferas fijas de cargas desconocidas y las fuerzas de atracción o repulsión entre ellas y las esferas móviles pueden calcularse midiendo la frecuencia del movimiento de ida y vuelta de la varilla horizontal.

 

Las balanzas de torsión posteriores se hicieron más sofisticadas y precisas en sus mediciones. Los científicos se dieron cuenta de que al dar un empujón inicial a la varilla de equilibrio horizontal, la resistencia extremadamente pequeña de los átomos de metal en el delgado alambre que sostiene la varilla podía hacerla girar horizontalmente hacia adelante y hacia atrás a cierta velocidad. La relación entre las tensiones de torsión en el cable cuando se expone a las fuerzas infinitesimales entre cuerpos esféricos sigue midiendo con éxito las incógnitas en las ecuaciones de la ley de la inversa del cuadrado.

 

Ley de Coulomb

 

El equilibrio de torsión de Coulomb no tenía medios para medir la cantidad de carga que inducía en el aparato. Sólo comprobó que la carga era la misma en ambos objetos cargados. Sin embargo, Coulomb pudo determinar, midiendo el ángulo de torsión y realizando el experimento varias veces, que la fuerza electrostática F era proporcional al producto de las dos cargas iguales Q y proporcionalmente inversa al cuadrado de la distancia entre ellas 1 / r² .

 

La constante electrostática

 

A medida que las cosas progresaban, surgieron formas de medir la carga electrostática (a mediados del siglo XIX) y, utilizando el sistema exu-cgs de unidades gaussianas, la carga se midió en statcoulombs. El estatcoulomb es una unidad derivada que permite que la constante de proporcionalidad en la ecuación de Coulomb se tome como 1. Poder medir la carga electrostática y expresar la carga en términos de estatcoulombs permitió escribir la ley de Coulomb.

 

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