我们小时候就知道阿基米德的名言:给我一个支点,我可以撬起地球。说的是利用一根杠杆可以省力。
他的测量方法是这样的:在夏至日的时候,太阳光直射北回归线。而埃及的城市阿斯旺刚好在北回归线附近,所以夏至日的正午,太阳光会垂直于阿斯旺的水平面,射入阿斯旺的一口深井中。
其中F是引力,G是万有引力常数,m1和m2分别是两个物体的质量,r是二者的距离。
如果两个物体的尺寸远远小于它们之间的距离,就可以把物体当作点来处理。但是如果物体距离比较近,那么二者的距离究竟从什么地方开始计算,就比较复杂了。但是,如果是质量分布均匀的球体,二者之间的万有引力还是比较好算的,那就是把它们球心的距离代入表达式中的r即可。
这个力就是地球对物体的吸引力,它接近于物体的重力,在这里我们姑且认为它就等于物体的重力。人们把重力与物体质量的比称为重力加速度
这个公式就称为黄金公式。
古希腊时代人们就测量出了地球半径R=6400公里,牛顿之后人们又测量出了重力加速度g=9.8N/kg,所以,只需要测量出万有引力常数,就可以知道地球的质量了。
万有引力常数牛顿在1687年巨著《自然哲学的数学原理》中完整的提出了万有引力定律,但是限于实验条件,牛顿自己并没有测量出这个量。直到一百多年之后,1797年,英国科学家卡文迪许才通过精巧的扭秤实验测量出了G的数值。
用一根线悬挂一根木棒,木棒两侧各放置一个小铅球,再用两个大铅球去吸引小铅球。此时木棒就会发生转动,通过测量转动的角度,卡文迪许就可以计算两球之间的吸引力,再通过万有引力公式,就计算出了万有引力常数的值。目前我们的测量结果是
卡文迪许测量了万有引力常数,所以就可以计算地球质量,人们称卡文迪许为“测出地球质量的人。”为了纪念卡文迪许,英国剑桥大学物理系实验室被命名为“卡文迪许实验室”,这也是目前世界上最顶尖的实验室之一。
根据阿基米德发现的杠杆原理:一个杠杆要平衡,两段施加的力与力臂的乘积应该相等,即:F1D1=F2D2
这样一来,如果想用小力去撬动大物体,就需要小力的力臂远远大于大物体的力臂。
假设阿基米德有100kg,而地球质量为6乘10的24次方千克,阿基米德要撬动地球,力臂就需要比地球那一段长6乘10的24次方倍。