L’Experiment de Cavendish (1798)
Cavendish fou el primer a mesurar directament la força de gravetat entre objectes de laboratori.
Amb aquest experiment, va poder deduir la constant universal de gravitació \(G\), i a partir d’aquí calcular la massa i densitat de la Terra.
Part I — Mesurament de la constant \(G\)
1. Força de la gravetat segons Newton
Dues masses \(m_1\) i \(m_2\) separades per una distància \(r\) s’atreuen amb una força:
$$ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} $$
2. El mètode de Cavendish
Cavendish va utilitzar un fil torsional: les masses petites estaven penjades en una barra que podia girar.
- Quan les masses grans s’acosten, apareix una força gravitatòria que fa girar la barra.
- El fil s’oposa a aquest gir amb un parell torsional.
- L’equilibri s’assoleix quan el parell gravitatòri és igual al parell del fil.
$$ \tau_{\text{grav}} = F \cdot r = G \frac{m_1 m_2}{r} $$
$$ \tau_{\text{fil}} = \kappa \theta $$
3. Igualació i fórmula final
En equilibri:
$$ \kappa \theta = G \frac{m_1 m_2}{r} $$
D’aquí podem aïllar \(G\):
$$ G = \frac{\kappa \theta r}{m_1 m_2} $$
4. Substitució de dades reals
- Masses grans: \( m_1 = 158\ \text{kg} \)
- Masses petites: \( m_2 = 0.73\ \text{kg} \)
- Distància: \( r = 0.229\ \text{m} \)
- Constant de torsió: \( \kappa = 2.8\times 10^{-7}\ \text{Nm/rad} \)
- Angle: \( \theta = 0.00036\ \text{rad} \)
$$ G = \frac{(2.8\times 10^{-7})(0.00036)(0.229)}{(158)(0.73)} $$
$$ G \approx 6.67\times 10^{-11}\ \text{Nm}^2/\text{kg}^2 $$
Resultat: Cavendish va obtenir un valor quasi idèntic al que fem servir avui dia per \(G\).
Part II — Càlcul de la densitat de la Terra
5. Massa de la Terra
A la superfície terrestre es mesura una acceleració de la gravetat \(g\):
$$ g = G \frac{M}{R^2} $$
On \(M\) és la massa de la Terra i \(R\) el seu radi. Despejant:
$$ M = \frac{g R^2}{G} $$
Substituïm valors coneguts:
- \(g = 9.81\ \text{m/s}^2\)
- \(R = 6.371\times 10^6\ \text{m}\)
- \(G = 6.67\times 10^{-11}\ \text{Nm}^2/\text{kg}^2\)
$$ M \approx 5.97\times 10^{24}\ \text{kg} $$
6. Volum de la Terra
La Terra és aproximadament esfèrica, així que el volum és:
$$ V = \tfrac{4}{3}\pi R^3 $$
$$ V \approx 1.083\times 10^{21}\ \text{m}^3 $$
7. Densitat mitjana
Finalment, la densitat resulta de:
$$ \rho = \frac{M}{V} = \frac{5.97\times 10^{24}}{1.083\times 10^{21}} $$
$$ \rho \approx 5.5\times 10^3\ \text{kg/m}^3 = 5.5\ \text{g/cm}^3 $$
Conclusió: Cavendish va aconseguir estimar fa més de 200 anys que la Terra té una densitat unes 5,5 vegades més gran que l’aigua.