1.2. Апаратура для вимірювання сили тяжіння і других похідних потенціалу

Для вимірювання сили тяжіння можуть використовуватися будь-які фі­зичні явища, які залежать від неї: гойдання маятника, розтягування пружин з вантажем, падіння тіл в пустці. Методи вимірювання сили тяжкості підрозділяються на динамічні, у яких спостерігається рух вантажу в полі тяжкості, і статичні, в яких вимірюється розтягування пружного елемента з вантажем.

Визначення сили тяжіння можуть бути абсолютними і відносними. До абсолютних відносяться такі методи, у яких на кожній крапці визначається абсолютне, повне значення g. До відносних методів відносяться методи, у яких на кожній крапці визначаються прирости або різниці сили тяжіння по відношенню до деякої початкової точки.

У гравіметрії для абсолютних вимірювань використовуються маятникові прилади, а для відносних - маятникові прилади і гравіметри.

Маятникові методи засновані на вимірювання періоду коливання маятника. Складність і громіздкість абсолютних визначень прискорень сили тяжкості полягає в тому, що вимірювання періоду коливань необхідно виконувати з точністю до 10 -7 сек. а довжини маятника - з точністю до 0,001 мм Абсолютні вимірювання за допомогою так званих оборотних маятників проводяться лише на обсерваторіях і деяких опорних пунктах.

Дещо простіше за допомогою маятникових приладів проводити відносні вимірювання сили тяжкості. При цьому ведуться вимірювання періоду коливань маятника на опорному пункті, на всій решті пунктів спостережень розраховується сила тяжкості якщо відоме абсолютне значення g на опорному. При відносних вимірюваннях немає необхідності виміряти довжину маятника, що полегшує процес спостереження. В маятникових прибо­рах є чотири маятники, виготовлені з латуні або інвару. Особлива оптична система і хронометр служать для вимірювання пе­ріоду коливань.

Окрім високої точності вимірювання Т і I потрібно ввести наступні поправки: 1) поправку на густину повітря; 2) поправку на вплив темпе­ратури; 3) поправку на хід хронометра; 4) поправку за амплітуду відхилення маятника; 5) поправку на сокачіння штатива.

Відносні маятникові спостереження вимагають довгого часу і проводяться в основному при морських гравіметричних зйомках. Точність абсолютних вимірювань сили тяжкості за допомогою маятникових приладів на обсерваторіях може бути доведений до 1 - 3 мгал, при наземних відносних дослідженнях - до 0,1 мгал, при роботах на підводних човнах до 1 - 3 мгал при зйомках на поверхні моря до 5 - 10 мгал.

Широко застосовуються відносні (статичні) методи вимірювання g. При цьому вимірюються різниця сили тяжіння у точках спостереження відносно початкової точки на якій абсолютне значення сили тяжкості визначено маятниковими спостереженнями або «перенесено» з найближчої обсерваторії.

Для «перенесення» сили тяжіння високоточним гравіметром багато разів проводяться відліки на обсерваторії і на початковій крапці. Визначивши приріст сили тяжкості, легко розрахувати абсолютне значення сили тяжіння початкової точки.

Статичні методи найбільш точні і швидкі. Суть статичного способу вимірювання сили тяжкості полягає в компенсації сили F = mg, розвивається грузилом у полі тяжіння, силою пружної витої пружини або пружної нитки величина деформації яких пропорційна діючої на масу силі тяжкості. Під дією сили mg пружина розтягується.

У гравіметрії застосовуються гравіметри або з металевою пружиною, або кварцової. Для збільшення точності спостережень застосовуються астазуючі системи. Принцип пристрою полягає в тому що пружна система встановлюється у нестійкій рівновазі. Тоді незначній зміні сили тяжкості відповідатимуть значні переміщення маси, що різко підвищує чутливість гравіметрів.

Найбільше застосування знаходять кварцові гравіметри. Чутлива система цього приладу складається з кварцового маятника з дзеркальцем, укріпленого на тонкій пружній кварцової нитці, натягнутій на кварцову раму. Під дією сили тяжкості маятник закручує пружну нитку і відхиляється від положення рівноваги. Мікрометричним гвинтом корпус приладу повертається і система приводиться в положення рівноваги, а дзеркальце маятника встановлюється поряд з нерухомим дзеркальцем, укріпленим на рамі. Особлива оптична система з освітлювачем і мікроскопом дозволяє спостерігати поєднання дзеркал, а по мікрометричному гвинту знімається відлік. Знаючи ціну розподілу мікрометричного гвинта, можна визначити відносне значення сили тяжіння у мілігалах (мгал).

У гравіметрах типа чутлива система складається з пружної кварцової нитки і астазуючої витої кварцової пружи­ни, тобто у цих приладах застосовані обидва згаданих вище статичних спосіб вимірювання сили тяжіння. Чутлива система такого гравіметру влаштована таким чином. На нитці укріплений важіль з грузилом, який під дією сили тяжіння нахиляється, закручувавши нитку і розтягуючи пру­жину.

За допомогою оптичної системи і додаткової компенсаційної пружини з мікрометричним гвин­том на кінці приводиться повернення маятника у нульове положення. Для захисту від різких змін температури кварцова система поміщається в судину Дьюара. Оскільки свідчення гравіметрів можуть змінюватися від зміни тиску, вимірювальна система поміщається у герметично закритій судину.

Гравіметри з металевою пружиною застосовуються рідше. Чутким елементом є кільцева металева пружина з астазуючою пружиною. Вимірювання проводяться нульовим методом при якому вимірювання сили тяжіння компенсується зміною натягнення ком­пенсаційною пружини мікрометричним гвинтом. У приладі є електричний термостат, що утримує температуру гравіметру постійній, і барометричний компенсатор.

При роботі з будь-яким гравіметром потрібно знати ціну розподілу мікрометричного гвинта, температурний коефіцієнт і сповза­ння нуль-пункту. Ціна розподілу визначається або шляхом спостережень з гравіметрами на пунктах з відомим g або методом нахилу гравіметрів.

Для визначення температурного коефіцієнта перед початком робіт знімається на одній крапці крива залежності відліку по гравіметру від температури. Отриманий коефіцієнт служить для введення поправок за температуру. Головним недоліком гравіметрів є сповзання нуль-пункту, зміна відліків на одній крапці в часі за рахунок «старіння» і зміни пружних властивостей пружини. Тому у значення сили тяжіння треба вводити поправки за сповзання нуль-пункту для чого на ряді пунктів спостереження необхідно брати повторні відліки через інтервал часу і потім визначити величину зміни си­ли тяжіння у часі.

Для вимірювання других похідних гравітаційного потенціа­лу служать гравітаційні варіо­метри і градієнтометри. Основним чутливим елементом варіометрів і градієнтометрів служать крутильні терези є коромислом з рівними вантажами на кінцях, підвішене на пружній нитці. Під впливом нерівно­мірного поля тяжіння відбувається закручування нитки, і коромисло повертається на кут пропорційний градієнту сили тяжкості уздовж напряму. Для вимірювання градієнтів сили тя­жіння по різних напр­ямах чутлива система встановлюється в різних (трьох або п'яти) азимутах.

У градієнтометрах відліки проводяться візуально і тривають на кожній крапці не більше 15 мін. У варіометрах відхилення коромисла фіксується на фотопластина, а виміри в різних азимутах виконуються автоматично протягом 30 - 60 мін на кожній крапці. У цілому варіометрична зйомка, хоча і громіздка, але має більш високою точністю в порівнянні з гравіметричною зйомкою.