库仑扭转平衡

我曾经为儿童电视连续剧演示过抗磁性Gastronuts用一根细线吊在一根稻草末端的两颗葡萄中，把磁铁靠近其中一颗;葡萄像变魔术一样轻轻地移开了。在播出后，该频道收到了一封来自一位医生的愤怒信，他对“伪科学的无稽之谈”感到愤怒。在写回信的时候，我开始思考扭力天平的精妙之处。扭力天平是由18世纪晚期的一位专业科学家发明的，他在很大程度上改变了我们对世界的理解。

查尔斯·奥古斯丁·库仑他是一名军事工程师，出生在法国Angoulême附近的一个富裕家庭。1764年，他被派往马提尼克岛，这是法国在加勒比地区最后的殖民地之一，那里的堡垒需要加强。在接下来的8年里，库仑一直在指导波旁堡的工程，他不时遭受疟疾的折磨。这些作品是一个实验的机会，库仑探索了与建筑材料强度和斜坡上材料摩擦有关的问题。

1772年，他被命令返回法国，在那里他开始向科学院提交文章，即使他在瑟堡，Besançon和艾克斯岛的防御工作。他将微积分融入到建筑计算中，给该协会的成员留下了深刻的印象;他开始花更多的时间把他的日常工作与科学联系起来。这导致了他的书Théorie des Machines Simples这本书于1781年出版，为他赢得了瑞典皇家科学院的奖项。

但库仑感兴趣的远不止工程学。由于经度问题悬而未决，他觉得科学必须支持全球探索。1777年，他出版了一本关于“磁化针的方法”的小册子。他的第一句话定义和原则这句话读起来就像是他伟大工作的宣言:“如果一个人把一根磁针悬挂在它的重心上，使它可以向任何方向旋转，它很快就会朝着一个方向排列，这样，如果它受到干扰，它就会回到同一方向。”

结果就是一个精巧的磁罗盘

随着话题的升温，他仔细分析了磁化钢带在偏离平衡时的振荡次数，并建立了运动的数学模型。他现在可以测量磁条的磁矩了。这使他直接比较了他用来悬挂钢的马毛或丝线上的磁力和扭转力，利用悬浮铜盘的惯性矩得出了马毛或丝线的刚度。结果是一个精致的磁性指南针，基于一根长钢针挂在扭转线上，装在一个木箱里以保护它不受气流的影响。他把它作为一种仪器来观测地球磁偏角的日变化(地理和磁北之间的差异)。这本小册子为他在学院里赢得了另一个奖项和晋升。

1784年，他发表了另一篇关于钢扭转丝理论的重磅文章，他在文章中证明了扭转力与直径的四次方成正比，与丝的长度成反比;首先，力与扭转角成正比。他现在可以确定不同金属的弹性模量了。引人注目的是，当他开始使用振荡法测量空气和液体中的摩擦力时，他开始在论文中使用“平衡反扭”一词。

几个月后，库仑提出了他的新的扭转天平。它的底座是一个12英寸宽的玻璃圆筒，上面有一个平面玻璃盖，上面有两个圆孔。在中心孔上方是第二个较窄的圆柱体，用于扭力丝的外壳，连接到顶部的可调悬挂装置上。电线上挂着一根杆子，杆子一端有一个涂了蜡的小球，另一端有一个纸制的配重兼阻尼器。

通过第二个孔，他可以把一个同样的，但带电的，涂了蜡的球插在针的末端。一旦两个球接触，它们就带有相同的电荷并相互排斥，导致悬浮的球扭曲，就像我的葡萄一样。库仑可以从扭转的角度精确地测量出斥力。现在他提出了他的“电学基本定律”:力取决于电荷间距的平方反比。

革命来临时，库仑逃到了更安静的乡村城市布洛瓦，把他所有的科学知识都抛在了身后，直到几年后局势平静下来。亨利·卡文迪什几乎完全平行地使用了约翰·米切尔独立发明的扭力天平来确定地球的密度。扭力平衡被保留了下来。

在给医生的回信中，我简单地提到了这种方法的历史和革命性的微妙之处，并给出了详细的说明。令我高兴的是，几周后，他给我写了一封信，描述了他是如何和他的女儿一起组织示威游行的，以及他们从中获得了多少知识和乐趣。我想库仑从未想过他也会激励孩子们。

为了纪念保罗·麦克米兰。一个同事。一个老师。亲法的。一个朋友。