ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СИЛЫ ТЯГОТЕНИЯ

профессор А. Л. Дмитриев, Е. М. Никущенко

Санкт-Петербургский государственный университет Информационных технологий, механики и оптики,
Санкт-Петербург, 197101, Кронверкский проспект, 49, тел/факс: 7 (812) 3154071; a l e x @ dmitriyev.ru

Резюме: Кратко описан эксперимент по взвешиванию PZT-пьезокерамики, нагреваемой высокочастотным сигналом на температуру 2⁰С. Уверенно регистрируется отрицательное изменение веса пьезокерамики с относительной величиной . Знак и порядок величины температурного изменения веса пьезокерамики соответствует выполненным ранее измерениям веса немагнитных металлических стержней. Отмечена целесообразность, для развития физики гравитации, проведения температурных измерений веса различных материалов в широком диапазоне температур.

PACS : 04.80.Cc, 06.30.Dr

Ключевые слова: сила гравитации, температура, измерения массы, пьезокерамика

Проблема влияния температуры тел на силу их гравитационного взаимодействия обсуждалась давно и первые высокоточные эксперименты в этой области проводились еще в начале ХХ века [1]. Последовавший затем упадок интереса к таким исследованиям можно объяснить авторитетом общей теории относительности, согласно которой температурная зависимость силы гравитации практически не наблюдаема [2]. Следующий этап экспериментального изучения указанной проблемы пришелся на начало 2000-х годов, когда в России были опубликованы результаты лабораторных измерений температурной зависимости веса металлических стержней, указывающие на заметную отрицательную температурную зависимость силы тяготения [3-5]; недавно эти результаты были подтверждены в работах китайских ученых [6]. Физическое обоснование сравнительно сильного влияния температуры на силу гравитации состоит в глубокой взаимосвязи электромагнитных и гравитационных взаимодействий и их зависимости от ускоренного движения микрочастиц, образующих массивное тело, интенсивность которого увеличивается с ростом температуры [7,8]. В экспериментах [3,6] взвешиваемые образцы нагревались до сравнительно высоких температур – от десятка до сотен градусов. Возможное, в таких условиях, влияние на результаты измерений тепловой воздушной конвекции, изменение температуры механизма весов, тепловое изменение остаточной намагниченности и адсорбции влаги поверхности образцов и другое – естественно обусловливали осторожность и даже недоверие в оценках полученных результатов. Между тем, результаты взвешивания нагретых металлических образцов были получены при достаточно высоких отношениях полезного сигнала к шуму, с тщательным учетом влияния отмеченных помех.

В описываемом эксперименте производилось взвешивание образцов PZT-пьезокерамики, температура которой увеличивалась примерно на 2 градуса относительно нормальной комнатной температуры (24⁰С). Влияние температурных факторов на точность измерений массы образцов при этом сводилась к минимуму. Устройство взвешиваемого контейнера показано на рис.1.

Контейнер располагался в закрытом ящике аналитических весов, высокочастотный электрический сигнал на электроды пьезокерамики подавался посредством эластичных медных проводников диаметром 85 мкм и длиной 150 мм. Взвешиваемый образец выполнен в виде трех "стоп" ("сэндвичей") параллельно включенных пьезокерамических колец, по 5 колец в каждой "стопе", закрепленных на массивном латунном основании; внешний диаметр колец 22 мм, внутренний 16 мм, высота 6 мм; полная масса 15 колец равна 112.9 грамм. Параллельно клеммам электропитания пьезокерамики подключалась переменная индуктивность для настройки резонансной частоты подводимого сигнала величиной 389 кГц, при которой достигается наиболее эффективный нагрев образцов; амплитуда сигнала при резонансе равна 40 В. Отсчет показаний весов выполнялся методом элонгаций с периодом колебаний коромысла весов 19.7 с. При полной массе контейнера около 470 грамм погрешность отсчетов изменения массы во времени не превышала 30 мкг.

Пример типичной экспериментальной временной зависимости изменения массы контейнера показан на рис. 2.

Температура стенок контейнера оставалась практически постоянной, при этом изменение температуры пьезокерамического образца в течение времени нагрева (2.6 мин) не превышало 2⁰С. На рис. 3 приведены результаты измерений температуры пъезокерамики и воздуха в верхней (наиболее нагретой) части объема контейнера.

Рис. 1. Устройство взвешиваемого контейнера. 1 - корпус, 2 - основание, 3 - эластичная прокладка, 4 - "стопа" пьезокерамических элементов, 5 - крышка, 6 - стержень.

Рис. 2. Экспериментальная временная зависимость изменения массы контейнера при нагревании пьезокерамики. Штриховые линии отмечают моменты включения и выключения подводимого ультразвукового сигнала.

Рис.3. Зависимость температуры пьезокерамики (верхняя кривая) и температуры воздуха в верхней части контейнера (нижняя кривая) от времени нагревания. Точка 1 на абсциссе соответствует моменту включения ультразвука, точка 4 – выключения.

Изменение массы контейнера, обусловленное температурным изменением плотности находящегося в нем воздуха, равно

(1)

где плотность воздуха (1.19 ), - объем воздуха в контейнере (150 ), - средняя абсолютная температура воздуха (297 ), - среднее изменение температуры воздуха в контейнере. Согласно рис.3, и соответствующая поправка в изменении массы контейнера , что существенно меньше полного температурного изменения массы контейнера (, рис. 2).

С учетом указанной поправки, относительное температурное изменение массы пьезокерамики

(2)

где - масса пьезокерамики и (при времени нагревания 2.6 мин, рис. 3), равно . Эта величина имеет тот же знак и порядок величины, что и значения для тяжелых металлических образцов, полученные в [3]. Отметим, что близкое соответствие результатов измерений выполняется при существенно различных размерах и конфигурациях использованных образцов и контейнера.

В [3,8] показано, что, в классическом приближении (при температурах, выше температуры Дебая), выполняется прямая пропорциональность

(3)

где - скорость звука в образце, - плотность материала образца.

Экспериментальные значения и расчетные величины размерного отношения приведены в Таблице [5].

Таблица

Образец	свинец	медь	латунь	титан	дюралюминий	PZT
, ()	11.34	8.89	8.55	4.50	2.79	7.20
, ()	2.64	3.80	3.45	5.07	5.20	3.50
, ()	0.783	1.275	1.181	2.391	3.114	1.306
, ()	4.56	6.50	4.50	8.70	11.60	2.8

Их нормированные значения, приведенные к максимальному значению для дюралюминия, показаны на Рис. 4.

Рис. 4. Нормированные расчетные (, ряд 1) и экспериментальные (, ряд 2) значения температурного коэффициента различных материалов

Очевидно, классическое приближение 3 удовлетворительно описывает зависимость температурного коэффициента от физических характеристик материала. Следует отметить, что вне такого приближения, при близких к абсолютному нулю температурах взвешиваемого образца, температурная зависимость веса тел, по-видимому, носит иной характер и не столь сильно выражена, как при нормальных температурах [9].

Заметное различие нормированных коэффициентов и для пьезокерамики (PZT), по-видимому, связано с тем, что в возбужденном ультразвуком пьезокерамическом образце изменения его веса связаны не только с изменением температуры материала, но и с упорядоченными акустическими колебаниями частиц образца.

Итак, лабораторные эксперименты, полученные в области нормальных температур, при нагревании образцов пьезокерамики на величину около 2⁰С, подтверждают отрицательную температурную зависимость веса таких образцов. Эти данные принципиально согласуются с высокотемпературными измерениями веса немагнитных металлических стержней [3,6]. Дальнейшие экспериментальные исследования отрицательной температурной зависимости силы гравитации, выполненные с использованием различных образцов материалов в широком диапазоне температур, будут способствовать прогрессивному развитию как метрологии массы, так и физики гравитации.

Литература

P. E. Shaw and N. Davy, The Effect of Temperature on the Gravitative Attraction, Phys. Rev. 21 (6), 680 (1923)
A. K. T. Assis and R. A. Clemente, The Influence of Temperature on Gravitation, Nuovo Cimento, Vol. 108 B, No. 6, 713 (1993)
А. Л. Дмитриев, Е. М. Никущенко, В. С. Снегов. Влияние температуры тела на его вес, Измерительная техника, №2, с. 8 (2003)
A. L. Dmitriev, Experimental Study of Gravity Force Temperature Dependence, 18^th International Conference on General Relativity and Gravitation (GRG18), Abstract Book, 77 (2007)
A. L. Dmitriev, Measurements of the Influence of Acceleration and Temperature of Bodies on their Weight, AIP Conf. Proc. 969, 1163 (2008)
Liangzao Fan, Jinsong Feng and Wuqing Liu, An Experimental Discovery about Gravitational Force Changes in Materials due to Temperature Variation, Engineering Sciences, China 12 (2), 9 (2010)
А. Л. Дмитриев, О влиянии внешних упругих (электромагнитных) сил на силу тяжести, Известия ВУЗ “Физика”, №12, с. 65 (2001)
A. L. Dmitriev, Analogue of the Lenz’s Rule in Phenomenological Gravitation, AIP Conf. Proc. 1103, 345 (2009)
M. Tajmar, F. Plesescu and B. Seifert, Measuring the dependence of weight on temperature in the low-temperature regime using a magnetic suspension balance , Meas. Sci. Technol. 21 (2010) 015111 (7pp)

на главную