Cavendish experiment

[Emveedee]

Het eerste waar ik aan dacht is die draadrotator, maar dat lijkt me toch niet logisch. Als die een stukje gedraaid was zou je verwachten dat de balans was gaan oscilleren naar zo ziet het niet uit.

Zou het kunnen dat misschien een van de spiegels is gaan schuiven? Ik ben sowieso wel benieuwd naar hoe die opstelling met de laser er precies uitziet. Heb je daar misschien nog een paar foto's of een schets van?

[Pinokkio]

De kast waarop de laser en de thermobox staan zou kunnen werken, en het projectieschermpje staat weer op een bureau dat kan werken.

Inderdaad, dat ook nog.
 
En die kast en bureau staan wellicht op een houten vloer die ook kan (tegen)werken?

[Michel Uphoff]

De vloer is van (golvend..) beton.

 

@Emveedee: Zou het kunnen dat misschien een van de spiegels is gaan schuiven? Ik ben sowieso wel benieuwd naar hoe die opstelling met de laser er precies uitziet.

 

Ja, dat vermoed ik. Maar welke dat is, is nu lopende een meting lastig uit te vinden. De meest te wantrouwen spiegelophanging (gezien het feit dat de verplaatsing zowel horizontaal als verticaal lijkt te zijn), is de spiegel rechtsboven aan de dakbalk.

 

schets opstelling 645 keer bekeken

Schets opstelling

 

contraspiegel 645 keer bekeken

Spiegel 3 aan dakbalk

 

IMG_20170524_112519449 645 keer bekeken

Contraspiegel 2 en meetopstelling 641 keer bekeken

Laser en spiegel 1. Andere groene laser op de voorgrond is voor uitlijnen.  Spiegel 2 en uitleesopstelling (Voltcraft was even elders, en de groene streep is van de uitlijnlaser).

De testmassa's en de 'draaibrug' zijn inmiddels ook klaar. Het zo precies mogelijk wegen wordt nog een probleempje:

Draaibrug met testmassas 642 keer bekeken

[WillemB]

Om precies te wegen, zou je moeten kijken of je ergens een ijk gewicht kan lenen, of kopen.
Die van gewoon gietijzer of zo zijn niet duur, en zijn meestal op een 0,5 gram nauwkeurig.
 
Als je eenmaal een ijk gewicht hebt kan je elke willekeurige weegschaal gebruiken.
Of iemand vinden die die een commerciële weegschaal heeft die pas is gekeurd.

[Benm]

De vloer is van (golvend..) beton.

 
 

Ja, dat vermoed ik. Maar welke dat is, is nu lopende een meting lastig uit te vinden. De meest te wantrouwen spiegelophanging (gezien het feit dat de verplaatsing zowel horizontaal als verticaal lijkt te zijn), is de spiegel rechtsboven aan de dakbalk.

 
Gezien de hele opstelling zijn die spiegels wel extreem belangrijk. 
 
Wat voor spiegels gebruik je eigenlijk?
 
Het lastige is nl dat spiegels vaak bestaan uit 3 lagen, een glaslaag, de spiegelende laag, en een beschermende laag daarachter. Die hebben niet precies dezelfde uitzettingscoefficienten en vervormen dus met temperatuur. 
 
Daar zie je bij een badkamerspiegel oid helemaal niets van, maar als je op meters afstand boogseconden gaat meten mogelijk wel. 
 
Je kunt first/front surface mirrors gebruiken die er minder last van hebben, die hebben geen beschermende laag en slechts een dunne metaalfolie aan de voorkant van het glas (of ander substraat). Dat metaalfolie is flexibel en dun genoeg om de spiegel niet noemenswaardig te doen buigen door temperatuur, maar het zijn wel heel gevoelige dingen (je krast die spiegelende laag er soms zo af als je ff onhandig bezig bent!). 

[Michel Uphoff]

Ja, die spiegels ken ik. Op de torsiebalans zit zo'n 'Newton' spiegeltje.
Maar dat soort spiegels zijn bij grotere afmetingen niet te koop of erg duur. Het blijft een tientjesproject.
Anderzijds, boogseconden, daar kom ik helemaal niet aan toe. Ik mag tevreden zijn met een meetnauwkeurigheid net onder de boogminuut.
 
De precieze massa van de twee testmassa's is wel een probleempje. Ik kan die wel ongeveer vaststellen m.b.v. mijn digitale weegschaal, maar dat ding gaat tot 4999 gram. Dus vandaag de massa ongeveer gemeten door met de 'balk op twee steunpunten' methode en de massa's zo goed als mogelijk in het midden te zetten het uitgelezen gewicht te halveren. Er kwam 9,106 kg uit. Gezien die goedkope weegschaal en de gebruikte methode zit ik er echter zo een paar tientallen grammen naast.
Ik ga eens kijken of er ergens in de buurt een bedrijf of instituut is waar ik ze even op een geijkte schaal mag zetten.
 
Inmiddels blijft de curve ook 30 uur na "De Grote Dip" redelijk vlak. Grappig zijn de twee enorme afwijkingen helemaal rechts. Dat ben ik.. Ik moest gisteren om 10 uur echt wat gereedschap halen uit de kast onder de balans, en dan word de verandering van de kromming van de ruimtetijd door Uphoff ongenadig gedetecteerd. O:) .
 

1 641 keer bekeken

[Benm]

Misschien een idee om eens te kijken of iemand een oude flatbed scanner heeft, die wellicht defect is of niet meer compatible?
 
Daar zit meestal een first surface mirror in, zeer langwerpig: zo breed als een A4, en wellicht 1 cm in de andere richting. 
 
Anderzijds kun je eens kijken wat de huidige spiegels doen door de laser ongeveer hetzelfde pad de laten afleggen zonder die op de torsiebalans te gebruiken, als het echt veel afwijkt moet je dat kunnen zien. 

[Michel Uphoff]

Anderzijds kun je eens kijken wat de huidige spiegels doen

 
Dat is een goed plan. Ik heb de groene 'uitlijn' laser (verticale streep) daarvoor tevens ter beschikking.
Die heb ik gebruikt om het geheel op één lijn op te stellen, en wordt nu alleen gebruikt om de laserdot van de draadrotator en het projectiescherm met de gradenschaal op nul te stellen:
 

1 646 keer bekeken

2 646 keer bekeken

 
Daarom weet ik ook dat de draadrotator niet gedraaid heeft, de dot staat nog steeds op de groene lijn.
Maar de tweede spiegel kaatst die groene lijn ook terug naar de derde spiegel:
 

3 646 keer bekeken

 
Bij de setup heb ik er voor gezorgd dat de reflectie van de groene lijn door deze derde spiegel tijdelijk ook op het projectiescherm terecht kwam, om zo alle spiegels zo exact mogelijk evenwijdig te krijgen.
Wat ik nu kan doen, is de hoek van die hulplaser zodanig veranderen dat de reflectie van de groene lijn door de tweede en vervolgens de derde spiegel definitief op dat scherm terug komt. Dat zal wat lastig te zien zijn, maar dan pomp ik het vermogen van de groene laser tijdelijk even flink op. Dan kan ik in ieder geval voor en na een meting zien of er iets aan de evenwijdigheid van beide spiegels veranderd is.

[Emveedee]

Ik ben ook wel eens benieuwd hoeveel de laserdot (in beide richtingen) trilt op het projectiescherm als de balans er niet tussen zit. Ik denk dat dat moeilijk te zien is in de verticale richting bij die groene laser omdat het zo'n lange streep is.

[Michel Uphoff]

Bij afstellen heb ik dat regelmatig gedaan.
 
Dan laat ik de meetmassa's de achterwand van het meetkastje net raken, zodat de balans niet meer kan draaien.
De laserdot staat dan stil, tenzij ik in de kamer ga lopen, dan zie je elke stap als een kleine zeer korte trilling. Dat is ook logisch; dan raakt het meetkastje de balans, en dat kastje golft dan mee met het beton. Maar zodra de meetmassa's vrij hangen staat de dot op secondenschaal vrijwel stil, ook als ik door de kamer loop.
 
Van trillingen is ook (behoudens bij sterkere wind) geen sprake tijdens de opnamen. Die heb ik vaak genoeg beneden live bijgehouden. Wat je in de bovenstaande grafieken ziet, is een behoorlijk trage verandering, er werd iedere 5 minuten een opname gemaakt.
 
Ik zal binnenkort wel even een animatie posten van een opname van meerdere uren met 1 beeldje per 10 seconden, dan krijg je een beter idee van de bewegingen.

[Benm]

I hoop dat het je lukt met deze spiegels, in laser setups zijn first surface mirrors toch echt wel de standaard om te voorkomen dat je dubbelbeelden en dergelijke krijgt. 
 
Gewone spiegels zijn soms dramatisch slecht, ik kan in mn badkamerspiegel totale interne refectie maken met een groene laser omdat dat ding in de orde van de golflengte gewoon een berglandschap is. 
 
Maar trillingen daargelaten kun je thermische effecten naturlijk wel goed zien. 
 
Als het problemen geeft zou je best 'extreme' maatregelen kunnen nemen als het zelf fabriceren van spiegels, chemisch een zilverlaagje afzetten op een stukje glas als een microscoopglaasje is niet zo heel moeilijk, al is de vraag hoe lang dat goed blijft werken in normale atmosfeer. 

[Michel Uphoff]

Misschien is het goed het doel van het experiment nog eens naar voren te halen:
 

Let wel, het doel is niet de (vermeende?) precisie van Cavendish te bereiken, dat lukt waarschijnlijk niet met deze opstelling en in deze omgeving maar of ik zeg eens op een procent of 10 van de werkelijke waarde kan komen. Het doel is: kan je met bescheiden middelen (een paar tientjes kosten) in een gewone huis-tuin-en-keuken omgeving toch zover komen dat je reproduceerbare en zinnige resultaten kan bekomen.

 
Ik ben eigenlijk al verder gegaan dan ik oorspronkelijk van plan was. Met de thermobox is een zodanig stabiele omgeving gecreëerd dat zelfs op langere (dagen) termijn de stabiliteit van het nulpunt van de torsieslinger rond enkele honderdsten graden ligt (als de boel niet weer eens onverklaarbaar of door windstoten in beweging komt).
Ook op kortere termijn (urenschaal) is de stabiliteit prima. Hier een animatie (excuus voor het microplaatje, de bestandsomvang is beperkt) van een beeldje per 10 seconden gedurende ruim 4 uur:
 

Korte termijn stabiliteit 501-2000 detail 645 keer bekeken

Tussen de streep en een bolletje zit 0,05 graden.
 
De torsieslinger staat niet stil, en dat zal in deze omgeving ook nooit het geval zijn. Maar een slingerbeweging van +/- 0,025 graden is meer dan acceptabel gezien het doel.
Ik zou extreem veel moeite kunnen stoppen in klimaatbeheersing van de hele kamer (om werken van meubels, beton, muren, dak en krimpen, uitzetten en buigen van materialen agv van variaties in temperatuur en vochtigheid tegen te gaan), maar dat schiet het doel ver voorbij. Het moet een thuisexperiment blijven, met bescheiden middelen. Als ik hogere nauwkeurigheid wil, moet ik weg van een trillend, wiebelend, werkend, opwarmend en afkoelend huis in een instabiele woonomgeving. Dan moet ik naar een zorgvuldig uitgekozen stabiele omgeving, en pas dan hebben allerhande high tech maatregelen zin. Maar dat was het doel dus niet.
 
Uitgaande van die +/- 0,025 graden moet het mogelijk zijn de gravitatieconstante met deze opstelling te meten. Met welke nauwkeurigheid dat kan is nog even de vraag, maar het kan. Door middelen van meerdere metingen moet deze op zich al geringe variatie nog wat terug te brengen zijn. Ik verwacht een afwijking van de torsiehoek door de testmassa's van wat meer dan 0,25 graden, wat dmv een trucje nog opgekrikt kan worden naar wat meer dan 0,75 graden. Met de beoogde meetfouten van +/- 1 seconde, +/- 1 boogminuut (liefst wat minder) moet het doel te bereiken zijn, en zou ik met wat doorzettingsvermogen binnen +/- 10% van de door Cavendish gevonden waarde moeten kunnen komen.
 
Het plannetje voor het vervolg:
Volgende week ben ik weg, ik zal zekerheidshalve een langduriger test laten lopen om er zeker van te zijn dat de stabiliteit voldoende blijft.
Daarna ga ik de torsieconstante van de draad zo goed als mogelijk meten.
En is dat naar tevredenheid gelukt, dan kan de opstelling verbouwd worden en de testmassa's worden ingebouwd.
Wederom een langer durende test om te zien of de stabiliteit hier niet onder geleden heeft.
Als ook dat naar tevredenheid is, ga ik de gravitatiekracht van die testmassa's dan eindelijk proberen te meten.

[Michel Uphoff]

Een 5 dagen stabiliteitstest is achter de rug. De conclusie is eenvoudig; zolang de windkracht 2 of lager is, gedraagt de balans zich voorbeeldig:

Image2 644 keer bekeken

klik voor grotere afbeelding

Nu woon ik hemelsbreed een kilometer of tien van weerstation de Bilt, dus zullen er zeker verschillen zijn in windstoten, maar de algemene teneur wordt wel helder uit de grafiek. 
 
Er is wel nog steeds een langere termijn hoekverandering (ongeveer 0,02 graden per dag) van de balans. Mogelijk blijft die nog weken of maanden aanwezig. Een groot probleem is dit echter niet. Door voor en na de toekomstige gravitatiemetingen de 'nul' positie van de balans zo nauwkeurig mogelijk te bepalen kan daar eventueel voor gecorrigeerd worden.
 
Inmiddels enkele periodemetingen verricht:

1e periodemeting torsieslinger in isolatiebox 644 keer bekeken

klik voor grotere afbeelding

De periode en de demping van de torsiebalans is vergeleken met een nauwkeurig model dat ik in mijn simulatiesoftware heb gemaakt.

Hier de plot van de meetgegevens (bolletjes) over het theoretische model, met de op basis van de meetresultaten berekende torsieconstante en op basis van de metingen in het model ingevoerde waarden voor de dempingsfactor.

Vergelijking gedempte oscillatie volgens IP model met feitelijke meting 644 keer bekeken

klik voor grotere afbeelding

Ik ben er zeer tevreden over.

Komende week de box weer demonteren, en zien of ik de testmassa's met een toereikend rotatiemechanisme in kan bouwen.

[Benm]

Mooi resultaat! Ik ben echt benieuwd of dit gaat lukken qua reproductie van het experiment, maar het lijkt kansrijk. 
 
Die wind kan wel roet in het eten gooien, maar gelukkig hebben we vaak genoeg vrij lange periodes met weinig wind. 
 
Wat dat betreft heb je nog geluk in een relatief laag gebouw te wonen. Hier op de 15e etage zou het experiment meer functioneren als windmeter dan iets anders. Geeft me wel een idee voor een ander experiment trouwens: eens meten hoeveel centimeter de vloer hier heen en weer gaat tijdens een flike storm. Ik vermoed redelijk wat, het effect is voelbaar bij windstoten boven zeg 100 km/h. 

[WillemB]

Over de invloed van de wind, als ik het door redeneer,
 
je hebt een schuin dak, dan zou bij veel wind het dak enigszins naar beneden gedrukt worden, als
dat het geval is dan zou de torsie balans niet van stand moeten veranderen.
 
wel heeft het invloed op de meet opstelling, aangezien deze over meerder wanden gaat, dan zou
de meetfout veroorzaakt worden door de veranderende spiegel opstelling, als het dak iets daalt.