Una bilancia di torsione è un dispositivo inventato per misurare forze molto piccole come forze gravitazionali tra piccole masse o forze magnetiche tra sfere cariche. La bilancia di torsione è costituita da un’asta orizzontale con una sfera identica su entrambe le estremità. L’asta orizzontale ruota su un filo che la sostiene al centro. Piccole sfere fisse di massa identica, o cariche, sono poste vicino alle sfere alle estremità dell’asta rotante, attirandole e provocando la torsione del filo. La quantità di torsione nel filo può quindi essere convertita matematicamente nella quantità di forza tra le sfere fisse e quelle sull’asta in movimento.
Quando sono note le masse delle sfere in una bilancia di torsione, allora gli scienziati possono calcolare una costante gravitazionale da inserire nella legge di gravitazione dell’inverso del quadrato di Newton. Da questi risultati si possono derivare piccole forze tra sfere di massa sconosciuta. Le forze tra le sfere fisse di massa sconosciuta e le sfere in movimento di massa nota si trovano osservando il numero di volte in cui l’asta orizzontale oscilla avanti e indietro in un dato intervallo di tempo. La frequenza del movimento avanti e indietro dell’asta è correlata allo sforzo torsionale nel filo, da cui possono essere calcolate le forze incognite.
Nel 1783, un fisico, Charles-Augustin de Coulomb, pubblicò la sua scoperta che la legge dell’inverso del quadrato, proposta per la prima volta da Newton per descrivere le forze gravitazionali, poteva essere applicata a cariche magnetiche attrattive o repulsive. Nella legge di Coulomb, le forze attrattive o repulsive tra oggetti, a causa delle loro caratteristiche magnetiche, richiedono una costante, la costante della forza di Coulomb. Quando sono note le cariche sulle sfere mobili e fisse della bilancia di torsione, è possibile calcolare la costante. Successivamente, potrebbero essere installate sfere fisse di cariche sconosciute e le forze attrattive o repulsive tra loro e le sfere in movimento possono essere calcolate misurando la frequenza del movimento avanti e indietro dell’asta orizzontale.
Bilance di torsione successive sono diventate più sofisticate e precise nelle loro misurazioni. Gli scienziati hanno notato che dando una spinta iniziale all’asta orizzontale della bilancia, la resistenza estremamente piccola degli atomi metallici nel filo sottile che sostiene l’asta potrebbe farla ruotare orizzontalmente avanti e indietro a una certa velocità. La relazione tra le sollecitazioni torsionali nel filo metallico quando esposto alle forze infinitesimali tra corpi sferici continua a misurare con successo le incognite nelle equazioni della legge dell’inverso del quadrato.