Ein Problem, zwei Wissenschaftler, drei Instrumente

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  • Ein Problem, zwei Wissenschaftler,drei Instrumente1

    Peter Von Heer ing* und Daniel Osewold

    Einleitung

    Ende des Jahres 1781 wurde der franzsische Militringenieur Charles Augu-stin Coulomb zum Mitglied der Pariser Akademie der Wissenschaften er-nannt.2 Eine seiner ersten Aufgaben bestand darin, dem Astronomen JeanDominique Cassini bei Messungen zur Bestimmung der tglichen Vernde-rung des Erdmagnetfeldes zu untersttzen. Das Phnomen der tglichen Ver-nderung der Deklination des Erdmagnetfeldes war als solches bereits seit1722 bekannt, als der Londoner Uhrmacher George Graham es nach Beob-achtungen einer Magnetnadel mit Hilfe einer Lupe beschrieb (Graham 1724/25, S. 96).3 Die von Graham verwendete Magnetnadel hatte eine Lnge vonetwa 31 cm und war wie im 18. Jahrhundert blich auf einer Spitzegelagert. Derartige Untersuchungen schienen grundstzlich ein neues Poten-tial fr die Navigation zu erffnen und waren daher von besonderem Interes-se. Somit schrieb auch die Pariser Akademie der Wissenschaften 1773 einePreisaufgabe zu dieser Thematik mit dem nachfolgenden Titel aus: Quelleest la meilleure maniere de fabriquer les aiguilles aimantees, de les suspendre,

    * C.v.O. Universitt Oldenburg, Institute of Physics, Physics Education/History and Philo-sophy of Science, P.O. Box 2503, D-26111 Oldenburg, Germany. E-mail: peter.heering/uni-oldenburg.de

    C.v.O. Universitt Oldenburg, Institute of Physics, Physics Education/History and Philo-sophy of Science, P.O. Box 2503, D-26111 Oldenburg, Germany. E-mail: daniel.osewold/uni-oldenburg.de

    Centaurus 2005: Vol. 47: pp. 115139C Blackwell Munksgaard 2005. Centaurus ISSN 0008-8994. Printed in Denmark. All rights reserved.

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    de sassurer quelles sont dans le vrai meridien magnetique, enfin de rendreraison de leurs variations diurnes regulieres? (Maindron 1881, S. 22). Bis1775 gab es keine befriedigenden Antworten, daher wurde die Eingabefristfr den Wettbewerb verlngert und der ausgesetzte Geldpreis verdoppelt.1777 wurden zwei Arbeiten ausgezeichnet, die von Jan Hendrik van Swindensowie von Coulomb eingereicht worden waren. Die Arbeit von van Swindenbestand aus einer umfangreichen Sammlung von Messwerten, die auf insge-samt 567 Seiten als Sonderband der avants etrangers4 erschien. CoulombsArbeit war dagegen vllig anderer Natur: Er beschrieb einige theoretischeberlegungen sowie ein neuartiges Gert und einige der damit ausgefhrtenMessungen.5 Ein ganz zentraler Unterschied zu den bisher fr entsprechendeMessungen eingesetzten Gerten bestand in der Befestigung der Magnetna-del: Im Gegensatz zu der blichen Spitzenlagerung war die Magnetnadel inCoulombs Kompass an einem Seidenfaden aufgehngt. Durch diese techni-sche Vernderung war Coulombs Gert deutlich empfindlicher als alle bisherverfgbaren. Dies wird auch an der Formulierung deutlich, die Coulomb derBeschreibung des von ihm verwendeten Kompasses in der Eingabe zur Preis-aufgabe (s.o.) voranstellte:

    ..., jai fait executer une boussole, sans presque le secours daucun Artiste, avec laqu-elle jobserve, depuis cinq mois, la variation diurne avec une precision, que lon nepourra jamais esperer avec des Aguilles a chappe [sic] suspendues sur des pivots(Coulomb 1780, S. 212)

    Cassini wollte das Gert anschlieend verwenden, offensichtlich gab es abereine Reihe von Problemen, so dass Coulomb nach seiner Versetzung nachParis die mit der Aufnahme in die Akademie eng verbunden war zu diesenMessungen hinzugezogen wurde. Bereits in der verffentlichten Fassung derAbhandlung hatte er einen weiteren Kompass beschrieben, der dem ur-sprnglichen berlegen sein sollte. In der Zusammenarbeit mit Cassini ent-stand dann ein drittes Gert, das fr entsprechende Messungen eingesetztwerden sollte.

    In diesem Beitrag diskutieren wir die Entwicklung dieser drei Gerte sowiedie Konsequenzen, die die jeweiligen Vernderungen fr den experimentellenUmgang mit dem resultierenden Instrument hatten. Im Gegensatz zu frhe-ren Studien (beispielsweise Gillmor 1971, Blondel 1994 und Licoppe 1995)greifen wir im Rahmen unserer Analyse auch auf Erfahrungen im Umgang

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    mit dem Nachbau eines der Gerte zurck. Daneben werden wir mglicheMotive fr die Entwicklungslinie des Gerts analysieren. In diesem Zusam-menhang erscheint es uns wesentlich, auch das Verhltnis der beiden an demExperiment beteiligten Wissenschaftler nher zu betrachten.

    Die Gerte I: Evolution einer Messapparatur

    Die erste Version seines Instrumentes (siehe Abbildung 1) beschrieb Coulombin dem Beitrag fr die Preisaufgabe der Akademie der Wissenschaften. Beidiesem Gert wird die Magnetnadel6 an einem Seidenfaden aufgehngt undihre Position mittels einer Lupe bestimmt.

    Das Neue und Innovative bei diesem Instrument bestand in der Befesti-gung der Magnetnadel. An zwei Punkten der Magnetnadel wurde ein Seiden-faden befestigt; dieser wurde in einen S-frmigen Haken, der am Ende eineszweiten Seidenfadens hing, eingehngt. Hierdurch war die Magnetnadel imGert frei drehbar und konnte sich entsprechend im Erdmagnetfeld ausrich-ten. Ihre Position konnte dann mit Hilfe einer Lupe bestimmt werden. DieLnge der Magnetnadel entsprach in etwa der Lnge des zweiten Seidenfa-dens.

    Das andere Ende des zweiten Seidenfadens wurde bei diesem Gert imDeckel eines hohlen Quaders befestigt, der den Seidenfaden vor Luftbewe-gungen und anderen ueren Einflssen schtzen sollte (siehe Abbildung 1,Fig. 12, no. 1 und 2). Der gesamte Korpus des Kompasses stellte damit einen

    Abb. 1. Kompass der ersten Generation.7

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    geschlossenen Kasten dar. Das Material dieses Kastens bestand nahezu aus-schlielich aus Kupfer, lediglich die der Ablesevorrichtung zugewandten Seitebestand aus einer Glasplatte, durch die die Position der Magnetnadel beob-achtet werden konnte.8

    Am nach Norden weisenden (borealen) Ende der Magnetnadel war eineNadel als Zeiger befestigt, dessen Position mit Hilfe einer festinstalliertenLinse beobachtet werden konnte (siehe Abbildung 1, Fig. 12, no. 2). ZurErhhung der Ablesegenauigkeit war innerhalb des Gehuses ein Kreisbogeninstalliert worden (siehe Abbildung 2). Diese ist erforderlich, da sich die Ver-nderungen der Deklination im Laufe eines Tages in einer Grenordnungvon maximal 10 bewegen.

    Es ist erkennbar, dass die Skala in vier gleichmige Bgen unterteilt ist.Die darauf erkennbaren Teilstriche sind in 16 Minutenteile untergliedert, sodass eine Skala mit viermintigen Abstnden entsteht. Unseres Erachtenssollte es einem gebten Beobachter mglich sein, eine derartige Skala minu-tengenau abzulesen.9

    Problematisch erscheint dagegen die technische Realisierung der Ablese-vorrichtung: Durch die feste Verankerung der Beobachtungseinheit entstehtein Ablesefehler, da bei einer greren Deklination ein zustzlicher Durch-blickwinkel10 auftritt.

    Dieses Detail des Gerts erfhrt bereits eine Vernderung in der zweitenVersion des Kompasses, die Coulomb in einem Anhang der verffentlichten

    Abb. 2. Kreisbogen innerhalb des Gehuses des Kompasses der ersten Generation.

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    schriftlichen Fassung seiner ursprnglichen Abhandlung beschrieben hatte(siehe Abbildung 3).11

    Die Modifikation der Ablesevorrichtung war die aufflligste und unseresErachtens auch wichtigste Neuerung bei dem Kompass der zweiten Generati-on: Diese war nun ein Zweilinsensystem, welches eine strkere Vergrerunggegenber einem Einlinsensystem ermglichte. Auerdem wurde in dieses

    Abb. 3. Kompass der zweiten Generation.

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    neue System an der Stelle f ein Seidenfaden eingezogen (siehe Abbildung 3,Fig. 2, no. 2), der als ein Hilfsmittel zur genauen Ablesung diente.

    Aber auch das bezglich der Ablesevorrichtung der ersten Version ange-sprochene Problem scheint erkannt worden zu sein, zumindest war die in derzweiten Version konstruierte Vorrichtung nicht mehr fest verankert, sondernwurde ber das Ende der abzulesenden Magnetnadel geschoben. Dabei wardie Beobachtungseinheit mittels einer Alihade mit dem Teil des Kompassesverbunden, in dem der Seidenfaden aufgehngt war. Dieser war jetzt zylin-drisch, somit konnte die Ablesevorrichtung fr die Messung ber das Endeder Magnetnadel gedreht werden. An der Traverse PP (Abbildung 3, Fig. 1)konnte dann die Deklination abgelesen werden. Durch diese Vernderungwar es mglich, dass die Ablesevorrichtung so eingestellt wurde, dass immersenkrecht auf die Magnetnadel gepeilt werden konnte und somit der Ablese-fehler minimiert wurde.

    Die Vernderung der Ablesung hat sich auch auf das Design der Magnet-nadel ausgewirkt, diese bestand nicht mehr aus einem magnetischen Metall-plttchen mit angebrachtem Zeiger. Statt dessen war sie nun pfeilfrmig undhatte am Ende ein Kupferplttchen, in das eine Markierung mittig eingear-beitet war (siehe Abbildung 3, Fig. 2, no. 2). Die Ablesevorrichtung wurdeim Experiment so verschoben, dass der eingesetzte Seidenfaden mit dieserMarkierung zur Deckung kam. Die Deklination konnte im Anschluss wiebeschrieben auf der Traverse PP abgelesen werden. Zur Ablesegenauigkeitdieses Kompasses schreibt Coulomb: ... comme on le pratique pour tous lesInstruments a donner les angles avec precision. (Coulomb 1780, S. 216).12

    Darber hinaus wurde auch die Aufhngung der Magnetnadel gendert:In dieser Version gab es lediglich einen Aufhngepunkt b (siehe Abbildung3, Fig. 2, no. 3). Dieser lag nicht im mechanischen Schwerpunkt der Magnet-nadel, sondern in deren magnetischem. Aus diesem Grund wurde auch einGegengewicht an der australen Seite der Magnetnadel angebracht.13

    Eine weitere interessante Vernderung war das Verhltnis zwischen derAufhngung der Magnetnadel und deren Lnge. Die Magnetnadel war beidieser Konstruktion nahezu doppel