Крутильные весы Кулона
Шарль Огюстен Кулон был военным инженером, родившимся в состоятельной семье недалеко от Ангулема, Франция. В 1764 году его отправили на остров Мартиника, одно из последних французских колониальных владений в Карибском море, крепость которого нуждалась в укреплении. Следующие восемь лет Кулон руководил работами над фортом Бурбон, страдая от периодических приступов малярии. Работы предоставляли возможность для экспериментов, и Кулон изучал вопросы, связанные с прочностью строительных материалов и их трением о склоны.
В 1772 году ему было приказано вернуться во Францию, где он начал представлять статьи в Академию наук, одновременно работая над обороной Шербура, Безансона и острова Экс. Его применение исчисления в архитектурных расчётах произвело впечатление на членов Академии; он стал уделять больше времени тому, чтобы связать свою основную работу с наукой. Это привело к публикации его книги « Теория простых машин» (Théorie des Machines Simples) , опубликованной в 1781 году и принесшей ему премию Академии.
Но Кулона интересовали не только инженерные науки. Поскольку проблема долготы была очень актуальна, он считал, что наука должна способствовать исследованию Земли. В 1777 году он опубликовал брошюру «Способы намагничивания игл». Первое предложение его « Определений и принципов» можно читать как манифест его великого труда: «Если подвесить намагниченную иглу за центр тяжести так, чтобы она могла вращаться в любую сторону, она вскоре выровняется в таком направлении, что если её потревожить, она вернётся в прежнее положение».
Результатом стал точный магнитный компас.
Воодушевленный своей темой, он тщательно проанализировал время колебаний намагниченных стальных полосок, выведенных из состояния равновесия, и разработал математическую модель этого движения. Теперь он мог измерять магнитные моменты полосок. Это привело его непосредственно к сравнению магнитных и крутящих сил, действующих на конские волосы или шелковые нити, которые он использовал для подвешивания своих стальных полосок, используя момент инерции подвешенного медного диска для определения жесткости волоса или нити. Результатом стал точный магнитный компас, основанный на длинной стальной стрелке, подвешенной на крутильной нити, помещенной в деревянный ящик для защиты от воздушных потоков. Он предложил его в качестве прибора для наблюдения за суточным изменением магнитного склонения Земли (разницы между географическим и магнитным севером). Эта брошюра принесла ему еще одну премию и повышение в академии.
В 1784 году он опубликовал ещё одну нашумевшую статью о теории стальных крученых проволок, в которой доказал, что сила кручения пропорциональна четвёртой степени диаметра и обратно пропорциональна длине проволоки; прежде всего, сила пропорциональна углу закручивания. Теперь он мог определять модули упругости различных металлов. Примечательно, что в середине статьи он начал использовать термин «balance de torsion», поскольку начал применять свой колебательный метод для измерения трения в воздухе и жидкостях.
Несколько месяцев спустя Кулон представил свои новые крутильные весы. В основании весов находился стеклянный цилиндр диаметром 12 дюймов (30 см) с плоским стеклянным колпачком, пронизанным двумя круглыми отверстиями. Над центральным отверстием был приклеен второй, более узкий цилиндр – корпус для торсионной проволоки, закреплённой на регулируемом подвесе в верхней части. К проволоке подвешивался стержень с небольшим вощёным шариком на одном конце и бумажным противовесом-демпфером на другом.
Через второе отверстие он мог ввести идентичный, но электрически заряженный вощеный шарик, насаженный на конец иглы. При соприкосновении два шарика заряжались одинаково и отталкивались друг от друга, заставляя подвешенный шарик откручиваться, как моя виноградина. Кулон мог точно измерить силу отталкивания по углу закручивания. Он сформулировал свой «фундаментальный закон электричества»: сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.
Когда грянула революция, Кулон бежал в тихий провинциальный городок Блуа, оставив всю свою науку до тех пор, пока ситуация не успокоилась несколько лет спустя. Почти одновременно Генри Кавендиш использовал крутильные весы, изобретённые независимо от него Джоном Митчеллом, для определения плотности Земли. Крутильные весы остались с нами надолго.
В своём ответе доктору я кратко упомянул историю и революционную тонкость метода, а также дал подробные инструкции. К моей радости, через несколько недель он прислал мне письмо, в котором рассказал, как организовал демонстрацию с дочерью и сколько полезного и интересного они получили. Не думаю, что Кулон когда-либо мог себе представить, что он сможет вдохновить и детей.
