Пристрій та спосіб вимірювання гравітаційної сталої

Реферат: Винахід належить до пристроїв виміру параметрів гравітаційною поля і призначено до виміру гравітаційної сталої. Визначення значення гравітаційної сталої відбувається у такий спосіб. З не менш ніж двох навігаційних приймачів, які сприймають високостабільні сигнали з навігаційних супутників, формуються у цифровому вигляді значення частоти прийнятих сигналів, які через канал поширення надходять до частотного компаратора, в якому вхідні сигнали рівняються та визначається гравітаційний зсув частот, який потім разом зі значеннями координат навігаційних приймачів та значеннями прийнятих частот, надходить до блока обробки, де вираховується значення гравітаційної сталої. UA 115255 C2 (12) UA 115255 C2 UA 115255 C2 Даний винахід належить до області гравіметрії й призначається для вимірювання гравітаційної сталої. Гравітаційна стала G є основою закону всесвітнього тяжіння. Згідно з Ньютоновським законом всесвітнього тяжіння (рис. 1), сила гравітаційного тяжіння F між двома матеріальними точкам і з маcами m1 та m2, які знаходяться на відстані г, рівна: 5 10 15 20 25 30 35 40 45 . Коефіцієнт пропорційності G в цьому рівнянні названий гравітаційною сталою, та має значення модуля сили тяжіння, яка діє на точкове тіло одиничної маси з боку іншого такого ж тіла, яке знаходиться від нього на одиничній відстані. В 1798 році Генрі Кавендиш поставив експеримент, вибраний як прототип пристрою та способу вимірювання гравітаційної сталої, з метою визначення середньої [цільністю Землі за допомогою крутильних ваг, розроблених Джоном Μичеллом (Philosophical Transactions 1798). Кавендиш порівнював маятникові переміщення пробного тіла під дією тяжіння куль відомої маси та під дією тяжіння Землі. Числове значення гравітаційної сталої було вирахувано значно пізніше на основі значення середньої щільності Землі. Точність вимірюваного значення G з часів Кавендиша збільшилося, але і його результат був вже досить близький до сучасного. -11 3 -2 -1 В 2000 році было одержано значення гравітаційної сталої G-6,6739·10 м с кг , с похибкою 0,0014 %. В одиницях Міжнародної системи одиниць (СИ) рекомендоване Комітетом даних для науки 1 та техніки (СОІМТА) на 2008 рік гравітаційна стала мала значення -11 3 -2 -1 2 -2 G=6,67428(67)·10 м с кг , чи H·м ·кг в 2010 році це значення було виправлене на: -11 3 -2 -1 2 -2 6,67384(80)·10 м с кг , чи H·м ·кг . В жовтні 2010 року в журналі Physical Review Letters з'явилась стаття, де пропонується уточнене значення 6.67234(14), що натри стандартних відхилень менші значення G, яке було рекомендоване в 2008 році Комітетом даних для науки та техніки (CODΑΤΑ), та не відрізняється від значення CODATA, яке було представлене в 1986 р. Перегляд значення G, який відбувся в період з 1986 р. по 2008 р., був визваний дослідженнями непружності нитей підвісок в крутильних вагах, які застосовуються в експерименті Кавендиша. Уточнене значення гравітаційної сталої було отримано групою вчених в 2013 році, які працювали під егідою Міжнародного Бюро Мір та Ваг, та воно має значения G=6,67545·10 8 3 -1 -2 ·см ·г ·с (похибка 27 ppm). В червні 2014 року в журналі Nature з'явилася стаття італійських та нідерландських фізиків, де були представлені нові результати вимірювань G, які були зроблені за допомогою атомних інтерферометрів. По їх результатах було вирахувано нове значення гравітаційної сталої -11 3 -2 -1 G=6,67191(99)·10 м с кг с похибкою 0.015 %. Автори вказують, що експеримент з застосуванням атомних інтерферометрів побудовано на принципово інших підходах та допомагає виявити системні похибки, які не враховувалися в інших експериментах. Значення гравітаційної сталої відомо значно менш точно, ніж усіх інших фундаментальних фізичних став результатом експериментів по їх уточненню і продовжують різнитися. В той же час відомо, що проблеми не пов'язані зі зміненням самої сталої від місця до місця та в часі, -17 незмінність гравітаційної сталої перевірена з похибкою до 10 , що визвано експериментальними труднощами вимірювання малих сил з урахуванням великого числа зовнішніх факторів, які діють на механічну систему вимірювань. Відомий пристрій, радіофізичний гравіметр, що вибраний прототипом пристрою, призначений для виміру значення прискорення сили ваги [патент України № 90961. G01V7/00, 10.06.2010 р.], шляхом вимірювання гравітаційного зсуву частоти сигналу. 1 UA 115255 C2 5 Недоліком відомого пристрою є неможливість визначення гравітаційної сталої. Цих недоліків немає у запропонованому принципово новому пристрої та способу вимірювання гравітаційної сталої, які базуються на відомому ефекті гравітаційного зсуву частоти електромагнітного випромінювання. Вираховується цей зсув за формулою: f gh , f g  0 c2 де f g ·- зміна частоти випромінювання під впливом прискорення вільного падіння. Вимірюючи f g можна розрахувати значення прискорення вільною падіння: g 10 f g c 2 . f0 h Також відомий закон всесвітнього тяжіння, згідно з яким значення прискорення вільного падіння можна вирахувати за формулою: gG m2 . R2 Прирівнюючи обидва рівняння один до одного можемо одержати рівняння для вирахування гравітаційної сталої. 15 20 25 30 35 40 45 G f g  c 2  R 2 . f0  h  m 2 Задачею даного винаходу є вимірювання гравітаційної сталої у будь якій точці поверхні Землі за допомогою джерела випромінювання сигналу за повної автономності та високої точності одержуваних результатів. Це вирішується тим, що пристрій для виміру гравітаційної сталої, що складається не менше ніж з одного блока вимірювання, в основі якого лежить радіофізичний ефект зміни частоти сигналу в гравітаційному полі, до складу якого входять стандарти частоти, джерела випромінювання сигналу, канали поширення сигналу, приймачі сигналу та частотний компаратор, навігаційного блока і блока обробки результатів вимірювання. Таким чином, нові істотні ознаки пристрою: - навігаційний блок. В сукупності з відомими істотними ознаками дозволяють забезпечити вирішення задачі вимірювання гравітаційної сталої у будь якій точці поверхні Землі за повної автономності та високої точності одержуваних результатів. Схема пристрою для вимірювання гравітаційної сталої, який заявляється, зображена на фіг. 2. Порядок роботи пристрою наступний. З виходу стандарту частоти 1 на джерело випромінювання сигналу подається сигнал стабільної опорної частоти f0. Джерело випромінювання формує й випромінює сигнал частотою f0 у канал поширення. Пройшовши через канал поширення сигнал змінює частоту з f0 на f1 під дією сили ваги. Сигнал частотою f1 приймається приймачем та передається на частотний компаратор, на який також подається сигнал опорної частоти f0 зі стандарту частоти 2. У частотному компараторі визначають значення зсуву частоти сигналу під дією сили тяжіння Δf, тобто зсув частоти прийнятого сигналу f1 щодо опорної частоти f0, яке передається в блок обробки. Також в блок обробки передаються з навігаційного приймача 1 значення координат місцезнаходження джерела випромінювання, з яких ми знаходимо значення R0, а з навігаційного приймача 2 значення координат місцезнаходження приймача, з яких ми знаходимо значення R1. Різниця між R0 и R1, дає нам знамення í. У блоці обробки за отриманими значеннями Δf, f0, í, R0 та відомими величинами швидкості світу С та маси пробного тіла m, за яке може виступати Земля, розраховується значення гравітаційної сталої за формулою 2 f  c 2  R 0 . G f0  H  m C Перевіримо коректність запропонованого способу та співвідношення по відомих даних. В експерименті Паунда-Ребки у башті висотою 22,5 м було виміряно значення відносного 2 UA 115255 C2 f  2,5  10 15 , також відомі значення R0=6371000ì та f 0 24 m3=5,972·10 êã. Таким чином, розраховане за запропонованим способом значення гравітаційної сталої становить гравітаційного зміщення частоти 5 10 2 f  c 2  R 0 2,5  10 15  9  10 16  6371000 2  6,7966579  10 11 . 24 f0  H  mC 22,5  5,972  10 -11 3 -2 -1 Це значення дуже близьке до значення гравітаційної сталої G=6.67191(99)×10 м ·с ·кг , яке було виміряне італійськими вченими у 2014 році. Різниця в значеннях з'явилася в зв'язку з тим, що ми в своїх розрахунках використовували середнє значення радіуса Землі, а не фактичний радіус у Гарварді, США. Тим не менше, приведені розрахунки підтверджують правильність та працездатність запропонованого приладу та способу визначення гравітаційної сталої. Треба також визначити, що вже існують стандарти частоти, які мають відносну стабільність 10. Використання·таких стандартів частоти у запропонованому приладі дозволить підвищити на три порядки точність вимірювання гравітаційної сталої, тому що ми використовували в своїх розрахунках результати експерименту Панда-Ребки, які мають значення f  2,5  10 15 . f 0 G  15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 1. Пристрій вимірювання гравітаційної сталої, що складається з вимірювального блока, виконаного з можливістю визначення зміни частоти сигналу в гравітаційному полі, та містить джерело сигналу, канал поширення сигналу, приймач сигналу, два стандарти частоти та частотний компаратор, при цьому вихід першого стандарту частоти з'єднаний з входом джерела сигналу та через канал поширення з входом приймача сигналу, вихід якого з'єднаний із першим входом частотного компаратора, другий вхід якого з'єднаний з виходом, а вихід частотного компаратора з'єднаний з блоком обробки результатів вимірів, який відрізняється тим, що до пристрою доданий навігаційний блок, який складається не менш ніж з двох навігаційних приймачів, які конструктивно поєднані з джерелом та приймачем електромагнітного сигналу. 2. Спосіб вимірювання гравітаційної сталої, що полягає у вимірюванні зсуву частоти електромагнітних сигналів під впливом гравітаційного поля, який відрізняється тим, що з вимірювального блока, параметри сигналу, прийнятого від джерела електромагнітного випромінювання через канал поширення сигналу, не менш ніж як з одного приймача надходять на частотний компаратор, де вимірюється гравітаційний зсув частоти, параметри якого разом з координатами джерела та приймача електромагнітного сигналу, які визначаються у навігаційному блоці, потім надходять у блок обробки сигналу, де потім вираховується гравітаційна стала за формулою: G 2 fg  c 2  R0 f0  H  mC , де fg - зміна частоти випромінювання під впливом прискорення вільного падіння, f0 - опорна частота, с - швидкість світла, R 0 - радіус Землі, H - відстань між джерелом та приймачем електромагнітного випромінювання, маса Землі. mC 3 UA 115255 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4