扭力天平和起重机

作者：安德鲁·格兰特

编译：纯珍

图片来源：iStock.com/JARAMA

塔式起重机的操作员已经熟悉一种阻尼扭摆运动的新技术，该技术用于测量重力常数。

塔式起重机用于提升柏林一座即将建成的办公楼的模块。

NIST 量子测量实验室的扭力天平包括两组四个圆柱体。如图所示的俯视图所示，四个测试质量块位于一个圆盘上，该圆盘由真空室内的一条薄金属条悬挂；四个源质量块位于腔室外的旋转转盘上。源质量对测试质量施加很小但可测量的重力扭矩。NIST 物理学家 Stephan Schlamminger 和他的团队通过旋转传送带并测量金属条的重力驱动扭曲，计算出重力常数G的值。

图片来源：S. Schlamminger 等人，Amer。J.物理。 90 , 169 (2022)

在他最新的扭力平衡G测量做准备时，Schlamminger 发现了一个麻烦的噪声源：当实验者旋转源质量的转盘时，他们会无意中导致悬挂测试质量的金属条每隔几分钟就会扭曲和解开一次。Schlamminger 着手寻找移动源质量的最佳方式，以尽量减少带材的周期性扭曲。他将系统视为钟摆，使用拉普拉斯变换（通常用于求解微分方程）来获取内盘扭曲的快照。然后他确定何时以及如何通过源质量的离散运动来抵消钟摆运动。

Schlamminger 的结果表明，为了获得最大阻尼，他需要在用于执行G测量的两个位置之间旋转转盘，并且以接近一个扭转-解扭转周期的频率进行。当条带改变其扭曲方向时，源质量会发生变化。当 Schlamminger 和他的同事们对他的方程进行测试时，他们发现每次操作都会使扭转摆的振幅减少近 150 微弧度。通过在一个多小时内执行 15 次操作，他们将振幅从 1830 μrad 降低到 1.5 μrad，这种能量耗散需要几个月的时间才能自行发生。

尽管计量学家可能会发现阻尼方法令人惊讶，但 Schlamminger 意识到建筑起重机的操作员不会。作为一名博士后，他的顾问告诉他“起重机操作员的技巧”，即对塔式起重机的小车进行一系列精确定时的颠簸，以稳定摆动的负载。Schlamminger怀疑期刊读者除了想了解扭力天平之外，还想了解建筑设备， 于是他将的推导方程应用于起重机负载的钟摆运动。方程式预测，对于最初在静止状态下运输负载，起重机操作员应施加与小车方向相反的速度，然后在钟摆周期后应用相反的速度——这一策略类似于抑制 NIST 扭摆的策略。他还为其他起重机场景制定了策略。上个月在美国物理学杂志上展示了关于起重机和扭力平衡的解决方案。

资料来源：斯蒂芬·兰丁格

Schlamminger 和他的团队正在利用他们的阻尼方法来收集引力常数测量数据，他们希望在未来几个月内获得这些数据。计量学界很想看到他们的结果，因为他们使用的特殊扭力平衡。它来自法国国际度量衡局，研究人员获得的G值比其他实验的值高几个标准差。（见上图中的红点。垂直线表示国际公认的值。）国际科学理事会数据委员会将很快重新评估其G和其他基本常数的推荐值。

文章来源：
https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220321a/full/

来源：百研工坊