СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ГРАВИТАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01V7/00 

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано для измерений постоянной гравитации γ.

Постоянная гравитации γ=6,67384(80)·10^-11 м³·с^-2·кг^-1 входит в Закон всемирного тяготения Ньютона - закон, описывающий гравитационное взаимодействие в рамках классической механики. Этот закон был открыт Ньютоном около 1666 года. Он гласит, что сила гравитационного притяжения F между двумя материальными точками массы M₁ и M₂, разделенными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними - то есть:

Впервые притяжение двух масс в лабораторных условиях измерил Г. Кавендиш в 1798 г. (Г. Кавендиш «Experiments to determine the Density of the Earth», опубликованного в Трудах Лондонского Королевского Общества за 1798 г. (часть II) том 88 стр.469-526). Установка состояла из двух небольших масс на концах уравновешенного стержня, прикрепленного посередине к длинной нити торсионного подвеса. Две другие, более крупные массы закреплялись на вращающейся подставке так, что их можно подвести к малым массам. Измерялся угол закручивания нити подвеса за счет притяжения, действующее со стороны больших масс на меньшие. По углу закручивания нити, зная модуль упругости при кручении нити, вычислялась сила притяжения между массами, и из известных масс пробных тел вычислялась гравитационная постоянная γ.

В данном весовом методе измерения гравитационной постоянной γ измеряется масса пробных тел M₁ и M₂, расстояние между пробными телами R и сила притяжения между телами F.

При этом наибольшие трудности представляет точное измерение силы притяжения между телами F.

При использовании второго закона Ньютона можно измерять гравитационную постоянную γ без измерения силы F. Второй закон Ньютона связывает силу F, инертную массу m и ускорение «a» тела:

При этом считают, что инертная масса m из второго закона Ньютона (2) равна гравитационной массе M из закона всемирного притяжения (1). В результате ускорение a₁ пробного тела массой M₁ в поле тяготения пробного тела массой M₂, расположенного на расстоянии R, равно:

Аналогично ускорение a₂ пробного тела массой M₂ в поле тяготения пробного тела массой M₁ равно:

Суммарное ускорение a=a₁+a₂ (изменение скорости сближения двух тел друг к другу) зависит от суммарной массы двух тел:

Измеряя суммарное ускорение а двух тел с массами M₁ и M₂, которые расположены на расстоянии R друг от друга, определяют гравитационную постоянную γ. В данном динамическом методе измерения гравитационной постоянной γ измеряется масса пробных тел M₁ и M₂, расстояние между пробными телами R и суммарное ускорение a. При этом измерения расстояния и ускорения, которое также измеряют через измерения расстояния, наиболее точные и простые.

Известен способ определения абсолютного значения ускорения свободного падения g при помощи динамического гравиметра путем измерения параметров свободного полета вертикально подброшенной вверх пробной массы (пробного тела) (А.П. Юзефович, Л.В. Огородова. ″Гравиметрия″. - М.: Недра, 1980), принятый за прототип.

Основными элементами такого гравиметра являются: вакуумная камера с размещенной в ней катапультой для подбрасывания пробного тела в виде уголкового оптического отражателя, лазерный интерферометр перемещений, электронно-счетная система для обработки интерференционного сигнала с выхода интерферометра с целью вычисления g и управления работой катапульты.

Данный способ непосредственно не определяет гравитационную постоянную γ, а определяет ускорение свободного падения g. Для определения гравитационной постоянной γ необходимо точно знать массу Земли.

Задачей изобретения является обеспечение непосредственного измерения гравитационной постоянной и повышение точности его измерения.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения постоянной гравитации, в котором используют два шара с известной массой и линейными размерами, с оптическим качеством обработки поверхности шаров, методом лазерной интерферометрии прослеживают изменение во времени расстояния от одного шара до другого шара при их свободном движении, при этом гравитационная масса считается равной инертной массе, согласно изобретению, измерение проводят на космической орбите, в начале измерения, с помощью держателей с известной массой, шары вывешивают на расстоянии от измерительного спутника, значительно превышающем расстояние между шарами, при этом шары и измерительный спутник располагают на одной орбите относительно Земли, в процессе вывешивания шары располагают в плоскости, перпендикулярной направлению от измерительного спутника на шары, и перпендикулярной направлению от шаров на Землю, при этом по окончании вывешивания скорости движения одного шара относительно другого шара и шаров относительно измерительного спутника минимальны, после окончания вывешивания шары освобождают от держателей, после чего они начинают свободное движение, при этом держатели отлетают от шаров по направлениям, перпендикулярным прямой, соединяющей шары, из измерительного спутника шары облучают лазерным светом с известной длиной волны, при этом часть лазерного света направляют на входы оптических приемников в виде опорного сигнала, несколькими оптическими приемниками одновременно проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным от первого шара, проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным от второго шара, проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным последовательно от первого шара в сторону второго шара и от второго шара на измерительный спутник, проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным последовательно от второго шара в сторону первого шара и от второго шара на измерительный спутник, импульсным дальномером проводят запись зависимости от времени расстояний от измерительного спутника до каждого шара, записывают изменение во времени ориентации измерительного спутника относительно звезд, записывают изменение во времени позиции измерительного спутника на орбите вокруг Земли, из измерительного спутника записывают видеоизображение шаров, разлетающихся держателей, при этом все записываемые данные сопровождают метками времени, по полученным данным методом последовательного приближения рассчитывают гравитационную постоянную.

Таким образом, технический результат достигается тем, что вместо второго пробного тела, которым в прототипе является Земля, используется шар с известной массой, в результате, из измерений динамики свободного движения двух шаров с известной массой в поле тяготения данных шаров, непосредственно можно определить гравитационную постоянную γ.

Измерения выносятся на далекую от Земли орбиту, что уменьшает влияние Земли на измерения.

Измерительный комплекс, в качестве которого в предлагаемом способе является измерительный спутник, также выносится далеко от двух шаров, что уменьшает влияние измерительного комплекса на измерения.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид элементов заявленного способа измерения постоянной гравитации, а на фиг.2 поясняется механизм измерения лазерной интерферометрии, при котором прослеживается изменение во времени расстояния от одного шара до другого шара при их свободном движении.

Измерительный спутник (фиг.1) 1 с помощью лазера 2 облучает лазерным светом 3 два шара 4. В процессе вывешивания шаров 4 на расстояние от измерительного спутника 1 шары закреплены в держателе 5. После окончания вывешивания, когда скорость шаров 4 относительно измерительного спутника 1 минимальна и шары 4 расположены в плоскости, перпендикулярной направлению от шаров 4 на измерительный спутник 1, держатель 5 освобождает шары 4, которые начинают свободное движение. При этом части держателя 5 разлетаются от шаров 4 в направлениях, перпендикулярных прямой, соединяющей шары 4. Отраженный от шаров 4 лазерный свет 3 принимается несколькими оптическими приемниками 6. Для управления движением в составе измерительного спутника 1 имеется система позиционирования 7.

Измерение гравитационной постоянной γ предлагаемым способом происходит следующим образом (фиг.2).

Процесс измерения начинается после окончания вывешивания шаров и удаления держателя 5, когда шары 4 начинают свободное движение в поле тяготения данных шаров 4.

Лазерный свет 8 лазера 2 облучает два шара 9 и 10. Падающий луч 11 отражается от шара 10 и попадает обратно 12 на оптический приемник 13. Аналогично падающий луч 14 отражается от шара 9 и попадает обратно 15 на оптический приемник 16. Данные лучи (11 и 12, 14 и 15) проходят двойной путь: от измерительного спутника 1 до шаров 9 и 10 и обратно на оптические приемники 13 и 16.

Падающий луч 17 отражается от шара 10 и идет 18 по направлению к шару 9, отражается от него 19 на оптический приемник 16. Данные лучи (17, 18, 19) проходят путь от измерительного спутника 1 до шара 10 (луч 17), от шара 10 до шара 9 (луч 18) и от шара 9 до оптического приемника 16 (луч 19).

Лазерный свет 8 лазера 2 отражается от полупрозрачных зеркал 20 и 22 и попадает на оптический приемник 16. Аналогично лазерный свет 8 лазера 2 отражается от полупрозрачных зеркал 21 и 23 и попадает на оптический приемник 13. Данный свет лазера 2 образует опорный сигнал на оптических приемниках 13 и 16, образуя при суммировании с отраженными лучами 12, 15 и 19 интерференционную картину, которая изменяется при изменении длины пути лучей 11, 14, 17, 18, 12, 15, 19.

Обозначим расстояние от измерительного спутника 1 до шара 9 как L9, от измерительного спутника 1 до шара 10 как L10, от шара 9 до шара 10 как R. Тогда лучи 11 и 12 проходят путь 2*L10, лучи 14 и 15 проходят путь 2*L9, лучи (17, 18, 19) проходят путь (L9+L10+R).

Интерференционная картина лучей 11 и 12 измеряет изменение длины 2*ΔL10: каждый раз, когда интерференционная картина лучей 11 и 12 повторяется (проходит один период), длины 2*L10 изменяются на длину волны λ, лазерного света 8 лазера 2. Аналогично интерференционная картина лучей 14 и 15 измеряет изменение длины 2*ΔL9, интерференционная картина лучей (17, 18, 19) измеряет изменение длины (ΔL9+ΔL10+ΔR).

Таким образом, измеряя изменения во времени 2*ΔL9, 2*ΔL10 и (ΔL9+ΔL10+ΔR), определяем изменение во времени расстояния между шарами ΔR. В данном рассмотрении следует учесть и линейные размеры шаров 9 и 10. Измерение ΔR определяет изменение во времени расстояния между шарами R. Одновременно определяем суммарное ускорение «а», которое используется в формуле (5).

Определив изменение во времени расстояния между шарами ΔR по формуле (5), определяем гравитационную постоянную γ.

Приведем простой пример. Пусть в момент времени t1 расстояние между шарами R1 (нам не известное), и суммарное ускорение a1 (измеренное нами). К моменту времени t2 расстояние между шарами изменилось на ΔR (измеренное нами), то есть R2=R1+ΔR, и суммарное ускорение a2 (измеренное нами). Тогда, составив два уравнения (5) в моменты времени t1 и t2, определяем два неизвестных: гравитационную постоянную γ и расстояние между шарами R1. Проведя много подобных измерений мы получим точное значение гравитационной постоянной γ.

Для повышения точности измерений необходимо знать положение масс, которые своим гравитационным полем вносят искажения в результаты измерения гравитационной постоянной γ.

В данном методе это держатель шаров 5, измерительный спутник 1, Земля, Луна, Солнце.

Поэтому дополнительно проводят измерение импульсным дальномером зависимости от времени расстояний от измерительного спутника до каждого шара, записывается изменение во времени ориентации измерительного спутника относительно звезд, записывается изменение во времени позиции измерительного спутника на орбите вокруг Земли, из измерительного спутника записывается видеоизображение шаров, разлетающихся держателей, при этом все записываемые данные сопровождаются метками времени. По данным дополнительным измерениям производят учет влияния соседних масс (держателя шаров 5, измерительного спутника 1, Земли, Луны, Солнца) при расчете гравитационной постоянной γ.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемый способ измерения постоянной гравитации имеет значительные преимущества. Данный способ использует только измерение расстояния с метками времени. Измерение расстояния и измерение времени являются наиболее точными методами измерения, что позволяет повысить точность измерений гравитационной постоянной γ предлагаемым способом. За счет вынесения двух пробных тел далеко от остальных масс, значительно уменьшается влияние остальных масс на точность измерения гравитационной постоянной γ предлагаемым способом.

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано для измерений постоянной гравитации γ. В указанном способе процесс измерения начинается после окончания вывешивания шаров с известной массой и удаления держателя, когда шары начинают свободное движение в поле тяготения данных шаров. При этом по окончании вывешивания скорости движения одного шара относительно другого шара и шаров относительно измерительного спутника минимальны. Из измерительного спутника шары облучают лазерным светом, при этом часть лазерного света направляют на входы оптических приемников в виде опорного сигнала, проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным от первого шара и от второго шара. Далее записывают зависимость от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным последовательно от первого шара в сторону второго шара и от второго шара на измерительный спутник, и проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженного от вышеуказанных шаров. Импульсным дальномером записывают зависимость от времени расстояний от измерительного спутника до каждого шара. Определив изменение во времени расстояния между шарами вычисляют гравитационную постоянную. Технический результат - повышение точности определения гравитационной постоянной. 2 ил.

Способ измерения постоянной гравитации, в котором используют два шара с известной массой и линейными размерами, с оптическим качеством обработки поверхности шаров, методом лазерной интерферометрии прослеживают изменение во времени расстояния от одного шара до другого шара при их свободном движении, при этом гравитационная масса считается равной инертной массе, отличающийся тем, что измерение проводят на космической орбите, в начале измерения, с помощью держателей с известной массой, шары вывешивают на расстоянии от измерительного спутника, значительно превышающем расстояние между шарами, при этом шары и измерительный спутник располагают на одной орбите относительно Земли, в процессе вывешивания шары располагают в плоскости, перпендикулярной направлению от измерительного спутника на шары и перпендикулярной направлению от шаров на Землю, при этом по окончании вывешивания скорости движения одного шара относительно другого шара и шаров относительно измерительного спутника минимальны, после окончания вывешивания шары освобождают от держателей, после чего они начинают свободное движение, при этом держатели отлетают от шаров по направлениям, перпендикулярным прямой, соединяющей шары, из измерительного спутника шары облучают лазерным светом с известной длиной волны, при этом часть лазерного света направляют на входы оптических приемников в виде опорного сигнала, несколькими оптическими приемниками одновременно проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным от первого шара, проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным от второго шара, проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным последовательно от первого шара в сторону второго шара и от второго шара на измерительный спутник, проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным последовательно от второго шара в сторону первого шара и от второго шара на измерительный спутник, импульсным дальномером проводят запись зависимости от времени расстояний от измерительного спутника до каждого шара, записывают изменение во времени ориентации измерительного спутника относительно звезд, записывают изменение во времени позиции измерительного спутника на орбите вокруг Земли, из измерительного спутника записывают видеоизображение шаров, разлетающихся держателей, при этом все записываемые данные сопровождают метками времени, по полученным данным методом последовательного приближения рассчитывают гравитационную постоянную.