Drehwaage

Klassische Mechanik, empfindliches Messinstrument zur Messung abstossender oder anziehender Kräfte. Bei der Cavendish-Drehwaage sind zwei kleine Massen m an den Enden eines frei aufgehängten Balkens befestigt (Abb. 1). Zwei wesentlich grössere Massen M werden nun in gleicher Höhe den kleinen Massen genähert. Aufgrund der Anziehungskraft  wird der Waagebalken um den Winkel j aus der Ruhelage ausgelenkt. Aus den bekannten Grössen m, M und dem Richtmoment des Drahtes lässt sich dann die Graviationskonstante G berechnen.

Die Eötvös-Drehwaage dient zur Messung von Gradienten des Schwerefeldes, nicht des Schwerefeldes selbst. Der Aufbau des leichten Drehwaagebalkens gleicht dem der Cavendish-Drehwaage. Der Waagebalken wird in verschiedenen Messstationen durch horizontale Schweregradienten unterschiedlich weit verdreht (Abb. 2 a). Eine Variante, bei der die beiden Massen in unterschiedlicher Höhe angebracht sind, erlaubt die Messung auch vertikaler Schweregradienten (Abb. 2 b).

Das Prinzip der Eötvös-Drehwaage wurde in den Jahren nach 1990 dazu benutzt, sehr strenge Limits für die Existenz einer fünften fundamentalen Wechselwirkung ("Fifth Force") zu bestimmen (neben Gravitation, elektromagnetischer Wechselwirkung, schwacher und starker Wechselwirkung). Diese Fünfte Kraft sollte auf inhomogene Massenverteilungen wirken. Mit Drehwaagen wurde in Gebieten mit starken Schweregradienten (in der Nähe von Klippen) oder mit zeitlich veränderlichen Masseverteilungen (an Stauseen, die periodisch gefüllt und geleert werden) experimentiert, und es wurde kein Unterschied zu den Vorhersagen der Gravitationstheorie gefunden.

Die Coulombsche Drehwaage (Abb. 3) diente als frühes Messinstrument für elektrostatische Abstossungskräfte zweier gleichnamig geladener, isoliert aufgehängter Metallkugeln, erkennbar am Ausschlag des Waagebalkens. Heute ist noch die nach demselben Prinzip aufgebaute magnetische Drehwaage, mit der die magnetische Suszeptibilität von Probekörpern gemessen werden kann, von Bedeutung. Hier bewegen in einem Magnetfeld aufgehängte Körper aus dia- oder paramagnetischem Material einen Drehwaagebalken.

Drehwaage 1: Cavendish-Drehwaage. m und M: Massen, F: Gravitationskraft.

Drehwaage 2: Eötvös-Drehwaage a) zur Bestimmung eines horizontalen Schweregradienten; b) zur Bestimmung eines vertikalen Schweregradienten. m: Massen.

Drehwaage 3: Coulombsche Drehwaage. K₁: feste Metallkugel, K₂: drehbare Metallkugel.