Скорост на земното притегляне. Какъв е законът за всемирното притегляне: формулата на голямото откритие. Какво определя гравитацията на планетата
По кой закон ще ме обесите?
- И ние бесим всички по един закон - закона за всемирното притегляне.
Закон за гравитацията
Феноменът на гравитацията е закон земно притегляне. Две тела действат едно върху друго със сила, която е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях и право пропорционална на произведението на техните маси.
Математически можем да изразим този велик закон чрез формулата
Гравитацията действа на огромни разстояния във Вселената. Но Нютон твърди, че всички обекти се привличат взаимно. Вярно ли е, че всеки два обекта се привличат? Само си представете, известно е, че Земята ви привлича, седейки на стол. Но мислили ли сте някога за факта, че компютърът и мишката се привличат? Или молив и писалка на масата? В този случай заместваме масата на писалката, масата на молива във формулата, разделяме на квадрата на разстоянието между тях, като вземем предвид гравитационната константа, получаваме силата на тяхното взаимно привличане. Но ще излезе толкова малък (поради малките маси на писалката и молива), че не усещаме присъствието му. Друго нещо е, когато става въпрос за Земята и стола, или Слънцето и Земята. Масите са значителни, което означава, че вече можем да оценим ефекта на силата.
Нека помислим за ускорението на свободното падане. Това е действието на закона за привличането. Под действието на сила тялото променя скоростта толкова по-бавно, колкото по-голяма е масата. В резултат на това всички тела падат на Земята с еднакво ускорение.
Каква е причината за тази невидима уникална сила? Към днешна дата съществуването на гравитационно поле е известно и доказано. Повече за природата на гравитационното поле можете да научите в допълнителния материал по темата.
Помислете какво е гравитацията. От къде е? Какво представлява? В края на краищата не може планетата да гледа Слънцето, да вижда колко далеч е отдалечено, да изчислява обратния квадрат на разстоянието в съответствие с този закон?
Посока на гравитацията
Има две тела, да кажем тяло A и B. Тяло A привлича тяло B. Силата, с която действа тяло A, започва от тяло B и е насочена към тяло A. Тоест тя "взема" тяло B и го дърпа към себе си . Тяло B „прави“ същото с тяло A.
Всяко тяло е привлечено от Земята. Земята "поема" тялото и го дърпа към своя център. Следователно тази сила винаги ще бъде насочена вертикално надолу и се прилага от центъра на тежестта на тялото, нарича се гравитация.
Основното нещо, което трябва да запомните
Някои методи за геоложко проучване, прогнозиране на приливи и отливи и ин напоследъкизчисляване на движението на изкуствени спътници и междупланетни станции. Ранно изчисляване на позицията на планетите.
Можем ли сами да си направим такъв експеримент и да не гадаем дали планетите, обектите се привличат?
Такъв пряк опит, направен Кавендиш (Хенри Кавендиш (1731-1810) - английски физик и химик)с помощта на устройството, показано на фигурата. Идеята беше да окачите пръчка с две топки на много тънка кварцова нишка и след това да донесете две големи оловни топки отстрани на тях. Привличането на топките ще усуче леко нишката - леко, защото силите на привличане между обикновените предмети са много слаби. С помощта на такъв инструмент Кавендиш успява директно да измери силата, разстоянието и големината на двете маси и по този начин да определи гравитационна константа G.
Уникалното откритие на гравитационната константа G, която характеризира гравитационното поле в космоса, направи възможно определянето на масата на Земята, Слънцето и други небесни тела. Затова Кавендиш нарича опита си „претегляне на Земята“.
Интересното е, че различните закони на физиката имат някои общи черти. Нека се обърнем към законите на електричеството (силата на Кулон). Електрическите сили също са обратно пропорционални на квадрата на разстоянието, но вече между зарядите и неволно възниква мисълта, че този модел крие дълбок смисъл. Досега никой не е успял да представи гравитацията и електричеството като две различни проявления на една и съща същност.
Силата тук също варира обратно пропорционално на квадрата на разстоянието, но разликата в големината на електрическите сили и гравитационните сили е поразителна. Опитвайки се да установим общата природа на гравитацията и електричеството, откриваме такова превъзходство на електрическите сили над гравитационните сили, че е трудно да се повярва, че и двете имат един и същ източник. Как може да кажеш, че единият е по-силен от другия? В крайна сметка всичко зависи от това каква е масата и какъв е зарядът. Спорейки за това как действа силната гравитация, вие нямате право да кажете: „Да вземем маса с такъв и такъв размер“, защото вие сами го избирате. Но ако вземем това, което самата природа ни предлага (нейните собствени числа и мерки, които нямат нищо общо с нашите инчове, години, нашите мерки), тогава можем да сравним. Ще вземем елементарна заредена частица, като например електрон. две елементарни частици, два електрона, поради електрически зарядотблъскват се със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях, и поради гравитацията се привличат отново със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието.
Въпрос: Какво е отношението на гравитационната сила към електрическата сила? Гравитацията е свързана с електрическото отблъскване, както едно е с число с 42 нули. Това е дълбоко озадачаващо. Откъде може да дойде такъв огромен брой?
Хората търсят този огромен фактор в други природни явления. Минават през всякакви големи числаи ако имате нужда голямо числозащо да не вземем, да речем, съотношението на диаметъра на Вселената към диаметъра на един протон - изненадващо, това също е число с 42 нули. И те казват: може би този коефициент е равен на отношението на диаметъра на протона към диаметъра на Вселената? Това е интересна мисъл, но тъй като вселената постепенно се разширява, константата на гравитацията също трябва да се промени. Въпреки че тази хипотеза все още не е опровергана, ние не разполагаме с никакви доказателства в нейна полза. Напротив, някои доказателства предполагат, че константата на гравитацията не се е променила по този начин. Този огромен брой остава загадка и до днес.
Айнщайн трябваше да промени законите на гравитацията в съответствие с принципите на относителността. Първият от тези принципи гласи, че разстоянието x не може да бъде преодоляно моментално, докато според теорията на Нютон силите действат моментално. Айнщайн трябваше да промени законите на Нютон. Тези промени, подобрения са много малки. Едно от тях е следното: тъй като светлината има енергия, енергията е еквивалентна на масата и всички маси се привличат, светлината също привлича и следователно, преминавайки покрай Слънцето, трябва да се отклони. Ето как всъщност се случва. Силата на гравитацията също е леко модифицирана в теорията на Айнщайн. Но тази съвсем лека промяна в закона за гравитацията е достатъчна, за да обясни някои от очевидните нередности в движението на Меркурий.
Физическите явления в микрокосмоса са подчинени на други закони, отколкото явленията в света на големи мащаби. Възниква въпросът: как се проявява гравитацията в свят на малки мащаби? На него ще отговори квантовата теория на гравитацията. Но все още няма квантова теория за гравитацията. Хората все още не са постигнали голям успех в създаването на теория за гравитацията, която е напълно съвместима с принципите на квантовата механика и с принципа на несигурността.
Дон ДеЙонг
Гравитацията (или гравитацията) ни държи здраво стъпили на земята и позволява на земята да се върти около слънцето. Благодарение на тази невидима сила дъждът пада на земята, а нивото на водата в океана се повишава и спада всеки ден. Гравитацията поддържа земята в сферична форма и също така предпазва нашата атмосфера от бягство в космоса. Изглежда, че тази сила на привличане, наблюдавана всеки ден, трябва да бъде добре проучена от учените. Но не! В много отношения гравитацията остава най-дълбоката мистерия за науката. Тази мистериозна сила е прекрасен пример за това колко ограничено е съвременното научно познание.
Какво е гравитацията?
Исак Нютон се интересува от този въпрос още през 1686 г. и стига до заключението, че гравитацията е сила на привличане, която съществува между всички обекти. Той разбра, че същата сила, която кара ябълката да падне на земята, е в нейната орбита. Всъщност силата на гравитацията на Земята кара Луната да се отклонява от правия си път с около един милиметър всяка секунда по време на нейното въртене около Земята (Фигура 1). Универсалният закон за гравитацията на Нютон е едно от най-великите научни открития на всички времена.
Гравитацията е "струната", която поддържа обектите в орбита
Снимка 1.Илюстрация на орбитата на луната, която не е начертана в мащаб. Всяка секунда Луната се движи с около 1 км. На това разстояние той се отклонява от правия път с около 1 мм - това се дължи на гравитационното привличане на Земята (пунктирана линия). Изглежда, че Луната постоянно изостава (или около) Земята, точно както планетите около Слънцето също падат.
Гравитацията е една от четирите основни природни сили (Таблица 1). Обърнете внимание, че от четирите сили тази сила е най-слабата и въпреки това е доминираща спрямо големите космически обекти. Както показа Нютон, притегателната гравитационна сила между всеки две маси става все по-малка и по-малка, докато разстоянието между тях става все по-голямо и по-голямо, но никога не достига напълно нула (вижте Дизайна на гравитацията).
Следователно всяка частица в цялата вселена всъщност привлича всяка друга частица. За разлика от силите на слабите и силните ядрени сили, силата на привличане е далекодействаща (табл. 1). Силите на магнитно и електрическо взаимодействие също са сили на далечни разстояния, но гравитацията е уникална с това, че е едновременно далечна и винаги привлекателна, което означава, че никога не може да се изчерпи (за разлика от електромагнетизма, при който силите могат или да привличат, или да отблъскват).
Започвайки с великия учен креационист Майкъл Фарадей през 1849 г., физиците непрекъснато са търсили скритата връзка между силата на гравитацията и силата на електромагнитната сила. В момента учените се опитват да комбинират четирите фундаментални сили в едно уравнение или така наречената „Теория на всичко“, но без успех! Гравитацията остава най-мистериозната и най-малко разбрана сила.
Гравитацията не може да бъде екранирана по никакъв начин. Какъвто и да е съставът на бариерата, тя няма ефект върху привличането между два разделени обекта. Това означава, че в лабораторни условия е невъзможно да се създаде антигравитационна камера. Силата на гравитацията не зависи от химичен съставпредмети, но зависи от тяхната маса, известна ни като тегло (силата на гравитацията върху даден обект е равна на теглото на този обект - колкото по-голяма е масата, толкова по-голяма е силата или теглото.) Блокове, направени от стъкло, олово, лед, или дори стиропор, и имайки същата маса, ще изпитва (и упражнява) същата гравитационна сила. Тези данни са получени по време на експерименти и учените все още не знаят как те могат да бъдат теоретично обяснени.
Дизайн в гравитацията
Силата F между две маси m 1 и m 2, разположени на разстояние r, може да се запише като формулата F = (G m 1 m 2) / r 2
Където G е гравитационната константа, измерена за първи път от Хенри Кавендиш през 1798 г.1
Това уравнение показва, че гравитацията намалява с увеличаване на разстоянието r между два обекта, но никога не достига напълно нула.
Природата на обратните квадрати на това уравнение е просто спираща дъха. В крайна сметка няма необходима причина гравитацията да действа по този начин. В една неподредена, произволна и развиваща се вселена, такава произволни градуси, като r 1.97 или r 2.3 би изглеждало по-вероятно. Точните измервания обаче показаха точна степен до най-малко пет знака след десетичната запетая, 2,00000. Както каза един изследовател, този резултат изглежда "твърде точно".2 Можем да заключим, че силата на привличане показва точен, създаден дизайн. Всъщност, ако градусът се отклони дори леко от 2, орбитите на планетите и цялата вселена биха станали нестабилни.
Връзки и бележки
- Технически погледнато, G = 6,672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
- Томпсен, Д., „Много точно за гравитацията“, научни новини 118(1):13, 1980.
И така, какво точно е гравитацията? Как тази сила може да действа в такова огромно, празно космическо пространство? И защо изобщо съществува? Науката никога не е успяла да отговори на тези основни въпроси за законите на природата. Привлекателната сила не може да дойде бавно чрез мутации или естествен подбор. Тя е активна от самото начало на съществуването на Вселената. Като всеки друг физичен закон, гравитацията несъмнено е чудесно доказателство за планирано създаване.
Някои учени са се опитали да обяснят гравитацията от гледна точка на невидими частици, гравитони, които се движат между обектите. Други говореха за космически струни и гравитационни вълни. Наскоро учените с помощта на специално създадена лаборатория LIGO (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) успяха да видят само ефекта на гравитационните вълни. Но природата на тези вълни, как физически обектите взаимодействат помежду си на огромни разстояния, променяйки формата си, все още остава голям въпрос за всички. Ние просто не знаем природата на произхода на силата на гравитацията и как тя поддържа стабилността на цялата вселена.
Гравитация и писание
Два пасажа от Библията могат да ни помогнат да разберем природата на гравитацията и физиката като цяло. Първият пасаж, Колосяни 1:17, обяснява, че Христос „Има преди всичко и всичко си струва за Него“. Гръцкият глагол стои (συνισταω sunistao) означава: да се придържате към, да бъдете задържани или държани заедно. Гръцката употреба на тази дума извън Библията означава съд, съдържащ вода. Думата, използвана в книгата Колосяни, е в перфектно време, което обикновено показва настоящо продължаващо състояние, което е възникнало от завършено минало действие. Един от въпросните физически механизми очевидно е силата на привличане, установена от Създателя и безпогрешно поддържана днес. Само си представете: ако силата на гравитацията престане да действа за момент, несъмнено ще настъпи хаос. Всички небесни тела, включително земята, луната и звездите, вече няма да се държат заедно. Целият този час ще бъде разделен на отделни, малки части.
Второто писание, Евреи 1:3, заявява, че Христос "държа всичко със словото на силата си."Слово запазва (φερω pherō) отново описва поддържането или запазването на всичко, включително гравитацията. Слово запазваизползвано в този стих означава много повече от просто задържане на тежест. Той включва контрол върху всички текущи движения и промени във вселената. Тази безкрайна задача се изпълнява чрез всемогъщото Слово на Господа, чрез което самата вселена е възникнала. Гравитацията, „мистериозната сила“, която остава слабо разбрана дори след четиристотин години изследвания, е едно от проявленията на тази удивителна божествена грижа за Вселената.
Изкривявания на времето и пространството и черни дупки
Общата теория на относителността на Айнщайн разглежда гравитацията не като сила, а като кривина на самото пространство в близост до масивен обект. Светлината, която традиционно следва прави линии, се предвижда да се огъва, докато пътува през извито пространство. Това беше демонстрирано за първи път, когато астрономът сър Артър Едингтън откри промяна във видимата позиция на звезда по време на пълно затъмнение през 1919 г., вярвайки, че светлинните лъчи са огънати от гравитацията на слънцето.
Общата теория на относителността също така прогнозира, че ако едно тяло е достатъчно плътно, неговата гравитация ще изкриви пространството толкова много, че светлината изобщо не може да премине през него. Такова тяло поглъща светлина и всичко останало, което е уловено от силната му гравитация, и се нарича Черна дупка. Такова тяло може да бъде открито само чрез гравитационните му ефекти върху други обекти, чрез силната кривина на светлината около него и чрез силното излъчване, излъчвано от материята, която пада върху него.
Цялата материя в черна дупка е компресирана в центъра, който има безкрайна плътност. „Размерът“ на дупката се определя от хоризонта на събитията, т.е. граница, която обгражда центъра на черна дупка и нищо (дори светлина) не може да избяга от нея. Радиусът на дупката се нарича радиус на Шварцшилд на името на немския астроном Карл Шварцшилд (1873–1916) и се изчислява като R S = 2GM/c 2, където c е скоростта на светлината във вакуум. Ако слънцето попадне в черна дупка, нейният радиус на Шварцшилд ще бъде само 3 км.
Има солидни доказателства, че след като ядреното гориво на масивна звезда се изчерпи, тя вече не може да устои на колапса под собствената си огромна тежест и пада в черна дупка. Смята се, че черни дупки с маса милиарди слънца съществуват в центровете на галактиките, включително нашата галактика, млечен път. Много учени вярват, че свръхярките и много далечни обекти, наречени квазари, използват енергията, която се освобождава, когато материята попадне в черна дупка.
Според предсказанията на общата теория на относителността, гравитацията също изкривява времето. Това също е потвърдено от много точни атомни часовници, които работят с няколко микросекунди по-бавно на морското равнище, отколкото в райони над морското равнище, където гравитацията на Земята е малко по-слаба. В близост до хоризонта на събитията това явление е по-забележимо. Ако наблюдаваме часовника на астронавт, който се приближава към хоризонта на събитията, ще видим, че часовникът върви по-бавно. Докато е в хоризонта на събитията, часовникът ще спре, но ние никога няма да можем да го видим. Обратно, астронавтът няма да забележи, че неговият часовник върви по-бавно, но ще види, че нашият часовник работи все по-бързо и по-бързо.
Основната опасност за астронавт близо до черна дупка биха били приливните сили, причинени от гравитацията, която е по-силна върху части от тялото, които са по-близо до черната дупка, отколкото върху части, които са по-далеч от нея. По силата си приливните сили в близост до черна дупка с масата на звезда са по-силни от всеки ураган и лесно разкъсват на малки парчета всичко, което им попадне. Въпреки това, докато гравитационното привличане намалява с квадрата на разстоянието (1/r 2), приливната активност намалява с куба на разстоянието (1/r 3). Следователно, противно на общоприетото схващане, гравитационната сила (включително приливната сила) е по-слаба в хоризонтите на събитията на големите черни дупки, отколкото на малките черни дупки. Така че приливните сили в хоризонта на събитията на черна дупка в наблюдаваното пространство биха били по-малко забележими от най-слабия бриз.
Гравитационното забавяне на времето близо до хоризонта на събитията е в основата на нов космологичен моделфизикът креационист д-р Ръсел Хъмфрис, за когото той говори в книгата си Starlight and Time. Този модел може да помогне за решаването на проблема как можем да видим светлината на далечни звезди в една млада вселена. Освен това днес това е научна алтернатива на небиблейската, която се основава на философски предположения, които излизат извън рамките на науката.
Забележка
Гравитацията, „мистериозната сила“, която дори след четиристотин години изследвания остава слабо разбрана...
Исак Нютон (1642–1727)
Снимка: Wikipedia.org
Исак Нютон (1642–1727)
Исак Нютон публикува своите открития за гравитацията и движението на небесните тела през 1687 г. в известната си работа " Математически начала". Някои читатели бързо заключиха, че вселената на Нютон не оставя място за Бог, тъй като сега всичко може да се обясни с уравнения. Но Нютон изобщо не мислеше така, както каза във второто издание на това известно произведение:
„Нашата най-красива слънчева система, планети и комети могат да бъдат само резултат от плана и господството на интелигентно и силно същество.“
Исак Нютон не беше само учен. Освен на науката, той посвещава почти целия си живот на изучаване на Библията. Любимите му библейски книги бяха Данаил и Откровение, които описват Божиите планове за бъдещето. Всъщност Нютон е написал повече теологични, отколкото научни трудове.
Нютон уважаваше други учени като Галилео Галилей. Между другото, Нютон е роден в същата година, в която Галилей умира, през 1642 г. Нютон пише в писмото си: „Ако видях по-далеч от другите, това беше, защото стоях раменегиганти." Малко преди смъртта си, вероятно размишлявайки върху мистерията на гравитацията, Нютон скромно пише: „Не знам как ме възприема светът, но на себе си изглеждам като момче, което си играе на брега на морето, което се забавлява, като търси камъче, което е по-цветно от другите, или красива мида, докато огромен океан от неизследвана истина."
Нютон е погребан в Уестминстърското абатство. Латинският надпис на гроба му завършва с думите: „Нека смъртните се радват, че такова украшение на човешкия род е живяло сред тях“.
Височините, на които се движат изкуствените спътници, вече са сравними с радиуса на Земята, така че за да се изчисли тяхната траектория, е абсолютно необходимо да се вземе предвид промяната в силата на гравитацията с увеличаване на разстоянието.
И така, Галилей твърди, че всички тела, пуснати от определена височина близо до повърхността на Земята, ще паднат с еднакво ускорение ж (ако се пренебрегне въздушното съпротивление). Силата, причиняваща това ускорение, се нарича гравитация. Нека приложим втория закон на Нютон към силата на гравитацията, разглеждана като ускорение а ускорение на гравитацията ж . По този начин силата на гравитацията, действаща върху тялото, може да бъде записана като:
Е ж =мг
Тази сила е насочена надолу към центъра на Земята.
защото в системата SI g = 9,8 , тогава силата на гравитацията, действаща върху тяло с маса 1 kg, е.
Прилагаме формулата на закона за всемирното притегляне, за да опишем силата на гравитацията - силата на гравитацията между земята и тяло, разположено на нейната повърхност. Тогава m 1 ще бъде заменено с масата на Земята m 3, а r - с разстоянието до центъра на Земята, т.е. спрямо радиуса на Земята r 3 . Така получаваме:
Където m е масата на тяло, разположено на повърхността на Земята. От това равенство следва, че:
С други думи, ускорението на свободното падане на повърхността на земята ж се определя от стойностите m 3 и r 3 .
На Луната, на други планети или в открития космос силата на гравитацията, действаща върху тяло със същата маса, ще бъде различна. Например на Луната стойността ж представлява само една шеста ж на Земята, а тяло с маса 1 kg се влияе от сила на гравитацията, равна само на 1,7 N.
Докато не бъде измерена гравитационната константа G, масата на Земята остава неизвестна. И едва след като G беше измерено, използвайки съотношението, беше възможно да се изчисли масата на земята. Това е направено за първи път от самия Хенри Кавендиш. Замествайки във формулата ускорението на свободното падане стойността g=9,8m/s и радиуса на земята r z =6,38106 получаваме следната стойност на масата на Земята:
За гравитационната сила, действаща върху тела близо до повърхността на Земята, може просто да се използва изразът mg. Ако е необходимо да се изчисли силата на привличане, действаща върху тяло, разположено на известно разстояние от Земята, или силата, причинена от друго небесно тяло (например Луната или друга планета), тогава трябва да се използва стойността на g, изчислено с помощта на добре известната формула, в която r 3 и m 3 трябва да бъдат заменени със съответното разстояние и маса, можете също директно да използвате формулата на закона за всемирното привличане. Има няколко метода за много точно определяне на гравитационното ускорение. Човек може да намери g просто като претегли стандартна тежест върху пружинна везна. Геоложките везни трябва да са невероятни - тяхната пружина променя напрежението, когато се добави товар от по-малко от една милионна част от грама. Отлични резултати дават торсионните кварцови везни. Тяхното устройство по принцип е просто. Към хоризонтално опъната кварцова нишка е заварен лост, с тежестта на който нишката е леко усукана:
За същите цели се използва и махалото. Доскоро методите на махалото за измерване на g бяха единствените и едва през 60-те - 70-те години. Те започнаха да се заменят с по-удобни и точни методи за тегло. Във всеки случай, чрез измерване на периода на трептене на математическо махало, формулата може да се използва за намиране на стойността на g доста точно. Чрез измерване на стойността на g на различни места на един и същ инструмент, човек може да прецени относителните промени в силата на гравитацията с точност до части на милион.
Стойностите на гравитационното ускорение g в различни точки на Земята са малко по-различни. От формулата g = Gm 3 може да се види, че стойността на g трябва да бъде по-малка, например, на върховете на планините, отколкото на морското равнище, тъй като разстоянието от центъра на Земята до върха на планината е малко по-голяма. Всъщност този факт е установен експериментално. Обаче формулата g=Gm 3 /r 3 2 не дава точна стойност на g във всички точки, тъй като повърхността на земята не е точно сферична: не само има планини и морета на нейната повърхност, но има и промяна в радиуса на Земята на екватора; освен това масата на земята не е равномерно разпределена; Въртенето на Земята също влияе върху изменението на g.
Свойствата на гравитационното ускорение обаче се оказаха по-сложни, отколкото си мислеше Галилей. Открийте, че големината на ускорението зависи от географската ширина, на която е измерено:
Големината на ускорението на свободното падане също варира в зависимост от височината над земната повърхност:
Векторът на гравитационното ускорение винаги е насочен вертикално надолу, но по отвес в дадено място на Земята.
По този начин, на една и съща географска ширина и на една и съща височина над морското равнище, ускорението на гравитацията трябва да бъде същото. Точните измервания показват, че много често има отклонения от тази норма – гравитационни аномалии. Причината за аномалиите е нехомогенното разпределение на масата в близост до мястото на измерване.
Както вече беше споменато, гравитационната сила от страната на голямо тяло може да бъде представена като сума от силите, действащи от отделните частици на голямо тяло. Привличането на махалото от Земята е резултат от действието на всички частици на Земята върху него. Но е ясно, че близките частици имат най-голям принос към общата сила - в крайна сметка привличането е обратно пропорционално на квадрата на разстоянието.
Ако тежки маси са концентрирани близо до мястото на измерване, g ще бъде по-голямо от нормата, в противен случай g е по-малко от нормата.
Ако например g се измерва на планина или на самолет, летящ над морето на височината на планина, тогава в първия случай ще се получи голяма цифра. Също така над нормата е стойността на g на уединените океански острови. Ясно е, че и в двата случая увеличението на g се обяснява с концентрацията на допълнителни маси на мястото на измерване.
Не само стойността на g, но и посоката на гравитацията може да се отклони от нормата. Ако окачите товар на конец, тогава удължената нишка ще покаже вертикалата за това място. Този вертикал може да се отклонява от нормата. „Нормалната“ посока на вертикалата е известна на геолозите от специални карти, върху които е изградена „идеалната“ фигура на Земята според данните за стойностите на g.
Нека направим експеримент с отвес в подножието на голяма планина. Тежестта на отвеса се привлича от Земята към центъра му, а от планината - отстрани. При такива условия отвесът трябва да се отклонява от посоката на нормалната вертикала. Тъй като масата на Земята е много по-голяма от масата на планината, такива отклонения не надвишават няколко дъгови секунди.
„Нормалният” вертикал се определя от звездите, тъй като за всяка географска точка е изчислено на кое място в небето в даден момент от деня и годината „почива” вертикалът на „идеалната” фигура на Земята.
Отклоненията на отвеса понякога водят до странни резултати. Например във Флоренция влиянието на Апенините води не до привличане, а до отблъскване на отвеса. Може да има само едно обяснение: в планините има огромни празнини.
Забележителен резултат се получава чрез измерване на ускорението на гравитацията в мащаба на континентите и океаните. Континентите са много по-тежки от океаните, така че изглежда, че стойностите на g над континентите трябва да са по-големи. отколкото над океаните. В действителност стойностите на g на една и съща географска ширина над океаните и континентите са средно еднакви.
Отново има само едно обяснение: континентите лежат върху по-леки скали, а океаните - върху по-тежки. Наистина, където е възможно директно изследване, геолозите установяват, че океаните почиват върху тежки базалтови скали, а континентите върху леки гранити.
Но веднага възниква следният въпрос: защо тежките и леките скали точно компенсират разликата в теглата между континентите и океаните? Такава компенсация не може да бъде случайност, причините за нея трябва да се коренят в структурата на земната обвивка.
Геолозите смятат, че горните части на земната кора сякаш плуват върху подлежащата пластмаса, тоест лесно деформируема маса. Налягането на дълбочина около 100 км трябва да е еднакво навсякъде, както е еднакво налягането на дъното на съд с вода, в който плуват парчета дърво с различно тегло. Следователно колона от материя с площ от 1 m 2 от повърхността до дълбочина 100 km трябва да има еднакво тегло както под океана, така и под континентите.
Това изравняване на наляганията (нарича се изостазия) води до факта, че над океаните и континентите по една и съща линия на ширина стойността на ускорението на гравитацията g не се различава значително. Местните гравитационни аномалии служат за геоложко проучване, чиято цел е да се намерят находища на минерали под земята, без копаене на дупки, без копаене на мини.
Тежката руда трябва да се търси на тези места, където g е най-голямо. Напротив, отлаганията на лека сол се откриват чрез локално подценени стойности на g. Можете да измервате g с точност до милионни от 1 m/s 2.
Методите за разузнаване с помощта на махала и свръхпрецизни везни се наричат гравитационни. Те са от голямо практическо значение, по-специално за търсенето на нефт. Факт е, че с гравитационните методи на изследване е лесно да се открият подземни солни куполи и много често се оказва, че там, където има сол, има и нефт. Освен това петролът се намира в дълбините, а солта е по-близо до земната повърхност. Нефтът е открит чрез гравитационно проучване в Казахстан и на други места.
Вместо да тегли количката с пружина, тя може да получи ускорение чрез закрепване на въже, преметнато върху скрипеца, от противоположния край на който е окачен товар. Тогава силата, придаваща ускорение, ще се дължи на претеглянетози товар. Ускорението на свободното падане отново се придава на тялото от неговата тежест.
Във физиката теглото е официалното наименование на силата, която се причинява от привличането на обекти към земната повърхност - "привличането на гравитацията". Фактът, че телата се привличат към центъра на земята, прави това обяснение разумно.
Както и да го дефинирате, теглото е сила. Тя не се различава от всяка друга сила, с изключение на две характеристики: тежестта е насочена вертикално и действа постоянно, не може да бъде елиминирана.
За да измерим директно теглото на едно тяло, трябва да използваме пружинна везна, калибрирана в единици за сила. Тъй като това често е неудобно, ние сравняваме едно тегло с друго с помощта на кантар, т.е. намерете връзката:
ЗЕМНАТА ГРАВИТАЦИЯ ДЕЙСТВА ВЪРХУ ТЯЛО XЗЕМНОТО ПРИВЛИЧАНЕ, ВЛИЯЩО НА СТАНДАРТА НА МАСА
Да предположим, че тялото X е привлечено 3 пъти по-силно от стандартната маса. В този случай казваме, че земната гравитация, действаща върху тялото X, е 30 нютона сила, което означава, че е 3 пъти земната гравитация, действаща върху килограм маса. Често се бъркат понятията маса и тегло, между които има съществена разлика. Масата е свойство на самото тяло (това е мярка за инерция или неговото „количество материя“). Теглото, от друга страна, е силата, с която тялото действа върху опората или разтяга окачването (теглото е числено равно на силата на гравитацията, ако опората или окачването нямат ускорение).
Ако използваме пружинна везна, за да измерим теглото на обект с много висока точност и след това преместим везните на друго място, ще открием, че теглото на обекта на повърхността на Земята варира донякъде от място на място. Знаем, че далеч от повърхността на Земята или в дълбините на земното кълбо теглото трябва да бъде много по-малко.
Променя ли се масата? Учените, размишлявайки върху този въпрос, отдавна са стигнали до извода, че масата трябва да остане непроменена. Дори в центъра на земята, където гравитацията, действаща във всички посоки, би трябвало да произведе нетна сила нула, тялото пак ще има същата маса.
Така масата, измерена чрез трудността, която срещаме, опитвайки се да ускорим движението на малка количка, е една и съща навсякъде: на повърхността на Земята, в центъра на Земята, на Луната. Тегло, изчислено от удължаването на пружинния баланс (и усещане
в мускулите на ръката на човек, който държи кантар) ще бъде много по-малко на Луната и почти нула в центъра на Земята. (фиг.7)
Колко голяма е земната гравитация, действаща върху различни маси? Как да сравним теглата на два обекта? Да вземем две еднакви парчета олово, да речем, по 1 кг всяко. Земята привлича всеки от тях с еднаква сила, равна на теглото от 10 N. Ако комбинирате двете парчета от 2 kg, тогава вертикалните сили просто се сумират: Земята привлича 2 kg два пъти повече от 1 kg. Ще получим точно същото удвоено привличане, ако слеем двете части в едно или ги поставим едно върху друго. Гравитационното привличане на всеки хомогенен материал просто се сумира и няма поглъщане или екраниране на едно парче материя от друго.
За всеки хомогенен материал теглото е пропорционално на масата. Следователно ние вярваме, че Земята е източник на "гравитационно поле", излъчвано от нейния център вертикално и способно да привлече всяко парче материя. Гравитационното поле действа по същия начин върху, да речем, всеки килограм олово. Но какво да кажем за силите на привличане, действащи върху едни и същи маси от различни материали, например 1 kg олово и 1 kg алуминий? Значението на този въпрос зависи от това какво се разбира под равни маси. Най-простият начин за сравняване на масите, който се използва в научните изследвания и в търговската практика, е използването на балансирана скала. Те сравняват силите, които дърпат двата товара. Но дадени по този начин едни и същи маси на, да речем, олово и алуминий, можем да приемем, че еднакви тегла имат еднакви маси. Но всъщност тук говорим за два напълно различни вида маса - инерционна и гравитационна маса.
Количество във формулата Представлява инертна маса. При експерименти с колички, които се ускоряват от пружина, стойността действа като характеристика на "тежестта на веществото", показвайки колко трудно е да се придаде ускорение на разглежданото тяло. Количествената характеристика е отношението. Тази маса е мярка за инерцията, тенденцията на механичните системи да устояват на промяна на състоянието. Масата е свойство, което трябва да бъде еднакво близо до повърхността на Земята, и на Луната, и в дълбокия космос, и в центъра на Земята. Каква е връзката му с гравитацията и какво всъщност се случва при претегляне?
Съвсем независимо от инертната маса, може да се въведе понятието гравитационна маса като количеството материя, привлечено от Земята.
Ние вярваме, че гравитационното поле на Земята е еднакво за всички обекти в нея, но го приписваме на различни
metam различни маси, които са пропорционални на привличането на тези обекти от полето. Това е гравитационната маса. Казваме, че различните обекти имат различно тегло, защото имат различни гравитационни маси, които се привличат от гравитационното поле. По този начин гравитационните маси по дефиниция са пропорционални на теглата, както и на силата на гравитацията. Гравитационната маса определя с каква сила тялото се привлича от Земята. В същото време гравитацията е взаимна: ако Земята привлича камък, то и камъкът привлича Земята. Това означава, че гравитационната маса на едно тяло също определя колко силно то привлича друго тяло, Земята. По този начин гравитационната маса измерва количеството материя, върху което действа земната гравитация, или количеството материя, което причинява гравитационно привличане между телата.
Гравитационното привличане действа върху две еднакви парчета олово два пъти повече, отколкото върху едно. Гравитационните маси на оловните парчета трябва да са пропорционални на инерционните маси, тъй като масите и на двете очевидно са пропорционални на броя на оловните атоми. Същото важи и за парчета от всякакъв друг материал, да речем восък, но как се сравнява парче олово с парче восък? Отговор на този въпрос дава символичен експеримент за изследване на падането на тела с различни размери от върха на наклонената кула в Пиза, този, който според легендата е извършен от Галилей. Пуснете две парчета от всякакъв материал с произволен размер. Те падат с еднакво ускорение g. Силата, която действа върху тялото и му придава ускорение6, е привличането на Земята, приложено към това тяло. Силата на привличане на телата от Земята е пропорционална на гравитационната маса. Но гравитацията придава едно и също ускорение g на всички тела. Следователно гравитацията, подобно на теглото, трябва да бъде пропорционална на инерционната маса. Следователно тела с всякаква форма съдържат същите пропорции на двете маси.
Ако вземем 1 kg като единица за двете маси, тогава гравитационната и инерционната маса ще бъдат еднакви за всички тела с всякакъв размер от всякакъв материал и на всяко място.
Ето как се доказва. Нека сравним килограмовия еталон от платина6 с камък с неизвестна маса. Нека сравним техните инертни маси, като преместим всяко от телата последователно в хоризонтална посока под действието на някаква сила и измерим ускорението. Да приемем, че масата на камъка е 5,31 кг. Земната гравитация не е включена в това сравнение. След това сравняваме гравитационните маси на двете тела, като измерваме гравитационното привличане между всяко от тях и някое трето тяло, най-просто Земята. Това може да стане чрез претегляне на двете тела. Това ще видим гравитационната маса на камъка също е 5,31 кг.
Повече от половин век преди Нютон да предложи своя закон за универсалната гравитация, Йоханес Кеплер (1571-1630) открива, че „сложното движение на планетите в Слънчевата система може да се опише с три прости закона. Законите на Кеплер засилиха вярата в хипотезата на Коперник, че планетите също се въртят около слънцето.
Да се твърди в началото на 17 век, че планетите са около Слънцето, а не около Земята, беше най-голямата ерес. Джордано Бруно, който открито защитава системата на Коперник, е осъден като еретик от Светата инквизиция и изгорен на клада. Дори великият Галилей, въпреки близкото си приятелство с папата, е хвърлен в затвора, осъден от инквизицията и принуден публично да се отрече от възгледите си.
В онези дни ученията на Аристотел и Птолемей се смятаха за свещени и неприкосновени, казвайки, че орбитите на планетите възникват в резултат на сложни движения по система от кръгове. Така че, за да се опише орбитата на Марс, бяха необходими около дузина кръгове с различни диаметри. Йоханес Кеплер постави задачата да "докаже", че Марс и Земята трябва да се въртят около Слънцето. Той се опитваше да намери орбита с най-проста геометрична форма, която точно да съответства на многобройните измервания на положението на планетата. Изминаха години на досадни изчисления, преди Кеплер да успее да формулира три прости закона, които много точно описват движението на всички планети:
Първи закон:Всяка планета се движи в елипса
един от фокусите на които е
Втори закон:Радиус вектор (линията, свързваща Слънцето
и планетата) описва на равни интервали
време равни площи
Трети закон:Квадратите на периодите на планетите
пропорционални на кубовете на техните средства
разстояния от слънцето:
R 1 3 /T 1 2 = R 2 3 /T 2 2
Значението на трудовете на Кеплер е огромно. Той открива законите, които след това Нютон свързва със закона за всемирното притегляне.Разбира се, самият Кеплер не осъзнава до какво ще доведат неговите открития. „Той се занимаваше с досадни намеци за емпирични правила, които в бъдеще Нютон трябваше да доведат до рационална форма.“ Кеплер не може да обясни защо съществуват елиптични орбити, но се възхищава на факта, че те съществуват.
Въз основа на третия закон на Кеплер Нютон заключава, че силите на привличане трябва да намаляват с увеличаване на разстоянието и че привличането трябва да се променя като (разстояние) -2. Откривайки закона за всемирното притегляне, Нютон пренася простата идея за движението на Луната върху цялата планетарна система. Той показа, че привличането, според изведените от него закони, определя движението на планетите по елиптични орбити и Слънцето трябва да бъде в един от фокусите на елипсата. Той успя лесно да изведе два други закона на Кеплер, които също следват от неговата хипотеза за универсалната гравитация. Тези закони са валидни, ако се вземе предвид само привличането на Слънцето. Но трябва да се вземе предвид и ефектът на други планети върху движеща се планета, въпреки че в слънчева систематези атракции са малки в сравнение с привличането на слънцето.
Вторият закон на Кеплер следва от произволната зависимост на силата на привличане от разстоянието, ако тази сила действа по права линия, свързваща центровете на планетата и Слънцето. Но първият и третият закон на Кеплер се изпълняват само от закона за обратната пропорционалност на силите на привличане спрямо квадрата на разстоянието.
За да получи третия закон на Кеплер, Нютон просто комбинира законите на движението със закона за универсалната гравитация. За случая на кръгови орбити може да се твърди по следния начин: нека планета с маса, равна на m, се движи със скорост v по окръжност с радиус R около Слънцето, чиято маса е равна на M. Това движение може да се извърши само ако върху планетата действа външна сила F = mv 2 /R, която създава центростремително ускорение v 2 /R. Да предположим, че привличането между Слънцето и планетата просто създава необходимата сила. Тогава:
GMm/r 2 = mv 2 /R
и разстоянието r между m и M е равно на радиуса на орбитата R. Но скоростта
където T е времето, необходимо на планетата да направи едно завъртане. Тогава
За да получите третия закон на Кеплер, трябва да преместите всички R и T от едната страна на уравнението, а всички други величини от другата:
R 3 /T 2 \u003d GM / 4 2
Ако сега преминем към друга планета с различен орбитален радиус и период на въртене, тогава новото отношение отново ще бъде равно на GM/4 2 ; тази стойност ще бъде еднаква за всички планети, тъй като G е универсална константа, а масата M е една и съща за всички планети, въртящи се около Слънцето. Така стойността на R 3 /T 2 ще бъде еднаква за всички планети в съответствие с третия закон на Кеплер. Това изчисление ви позволява да получите третия закон за елиптични орбити, но в този случай R е средната стойност между най-голямото и най-малкото разстояние на планетата от Слънцето.
Въоръжен с мощен математически методии воден от отлична интуиция, Нютон прилага своята теория към голям брой проблеми, включени в неговата ПРИНЦИПИотносно характеристиките на Луната, Земята, други планети и тяхното движение, както и други небесни тела: спътници, комети.
Луната изпитва множество смущения, които я отклоняват от равномерно кръгово движение. На първо място, той се движи по Кеплерова елипса, в един от фокусите на която е Земята, както всеки спътник. Но тази орбита изпитва малки вариации поради привличането на Слънцето. При новолуние луната е по-близо до слънцето, отколкото пълнолунието, което се появява две седмици по-късно; тази причина променя привличането, което води до забавяне и ускоряване на движението на луната през месеца. Този ефект се увеличава, когато Слънцето е по-близо през зимата, така че се наблюдават и годишни промени в скоростта на Луната. Освен това промените в слънчевото привличане променят елиптичността на лунната орбита; лунната орбита се отклонява нагоре и надолу, равнината на орбитата бавно се върти. Така Нютон показа, че забелязаните нередности в движението на Луната са причинени от всемирната гравитация. Той не разработва проблема за слънчевото привличане във всички подробности, движението на Луната остава сложен проблем, който се разработва с все по-големи подробности и до днес.
Океанските приливи и отливи отдавна остават загадка, която, изглежда, може да се обясни чрез установяване на връзката им с движението на Луната. Хората обаче вярваха, че такава връзка не може да съществува и дори Галилей се присмиваше на тази идея. Нютон показа, че приливите и отливите се дължат на неравномерното привличане на водата в океана от страната на Луната. Центърът на лунната орбита не съвпада с центъра на Земята. Луната и Земята заедно се въртят около техния общ център на масата. Този център на масата се намира на разстояние около 4800 км от центъра на Земята, само на 1600 км от повърхността на Земята. Когато Земята дърпа Луната, Луната дърпа Земята с еднаква и противоположна сила, поради което възниква силата Mv 2 /r, която кара Земята да се движи около общ център на масата с период равен на един месец . Най-близката до Луната част от океана се привлича по-силно (тя е по-близо), водата се издига - и възниква прилив. Частта от океана, разположена на по-голямо разстояние от Луната, се привлича по-слабо от сушата и в тази част на океана също се издига водна гърбица. Следователно има два прилива за 24 часа. Слънцето също предизвиква приливи, макар и не толкова силни, тъй като голямото разстояние от слънцето изглажда неравномерността на привличането.
Нютон разкрива природата на кометите – тези гости на Слънчевата система, които винаги са будили интерес и дори свещен ужас. Нютон показа, че кометите се движат по много издължени елиптични орбити, като Слънцето е във водния фокус. Тяхното движение се определя, подобно на движението на планетите, от гравитацията. Но те имат много малка величина, така че могат да се видят само когато преминават близо до Слънцето. Може да се измери елиптичната орбита на кометата и точно да се предвиди времето на завръщането й в нашия регион. Тяхното редовно връщане на предвидени дати ни позволява да проверим нашите наблюдения и предоставя още едно потвърждение на закона за всемирното привличане.
В някои случаи кометата изпитва силно гравитационно смущение, преминавайки близо до големи планети и преминава към нова орбита с различен период. Ето защо знаем, че кометите имат малка маса: планетите влияят на движението си, а кометите не влияят на движението на планетите, въпреки че действат върху тях със същата сила.
Кометите се движат толкова бързо и идват толкова рядко, че дори днес учените чакат момента, когато съвременните средства могат да бъдат приложени за изследване на голяма комета.
Ако се замислите каква роля играят гравитационните сили в живота на нашата планета, тогава се отварят цели океани от явления и дори океани в буквалния смисъл на думата: океани от вода, океан от въздух. Без гравитацията те не биха съществували.
Гравитационната сила е силата, с която обекти с определена маса се привличат един към друг, разположени на определено разстояние един от друг.
Английският учен Исак Нютон през 1867 г. открива закона за всемирното привличане. Това е един от основните закони на механиката. Същността на този закон е следната:всеки две материални частици се привличат една към друга със сила, която е право пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.
Силата на привличане е първата сила, която човек усеща. Това е силата, с която Земята действа върху всички тела, разположени на нейната повърхност. И всеки човек чувства тази сила като собствена тежест.
Закон за гравитацията
Има легенда, че Нютон открил закона за всемирното притегляне съвсем случайно, разхождайки се вечер в градината на родителите си. Творческите хора са постоянно в търсене на научни открития- това не е мигновено прозрение, а плод на дълъг умствен труд. Седнал под едно ябълково дърво, Нютон обмисляше друга идея и изведнъж една ябълка падна на главата му. За Нютон било ясно, че ябълката е паднала в резултат на земното притегляне. „Но защо луната не пада на Земята? той помисли. „Това означава, че някаква друга сила действа върху него, задържайки го в орбита.“ Ето как известните закон на гравитацията.
Учените, които преди това са изучавали въртенето на небесните тела, смятат, че небесните тела се подчиняват на някои напълно различни закони. Тоест, предполагаше се, че има напълно различни закони на привличане на повърхността на Земята и в космоса.
Нютон комбинира тези предполагаеми видове гравитация. Анализирайки законите на Кеплер, описващи движението на планетите, той стигна до извода, че силата на привличане възниква между всякакви тела. Тоест както върху ябълката, която е паднала в градината, така и върху планетите в космоса действат сили, които се подчиняват на един и същ закон – закона на всемирното притегляне.
Нютон установява, че законите на Кеплер действат само ако има сила на привличане между планетите. И тази сила е право пропорционална на масите на планетите и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.
Силата на привличане се изчислява по формулата F=G m 1 m 2 / r 2
m 1 е масата на първото тяло;
м2е масата на второто тяло;
r е разстоянието между телата;
Ж е коефициентът на пропорционалност, който се нарича гравитационна константаили гравитационна константа.
Стойността му е определена експериментално. Ж\u003d 6,67 10 -11 Nm 2 / kg 2
Ако две материални точкис маса, равна на единица маса, са на разстояние, равно на единица разстояние, тогава те се привличат със сила, равна наЖ.
Силите на привличане са гравитационните сили. Те също се наричат земно притегляне. Те са подчинени на закона за всемирното притегляне и се появяват навсякъде, тъй като всички тела имат маса.
Земно притегляне
Гравитационната сила в близост до повърхността на Земята е силата, с която всички тела се привличат към Земята. Викат я земно притегляне. Счита се за константа, ако разстоянието на тялото от земната повърхност е малко в сравнение с радиуса на Земята.
Тъй като силата на гравитацията, която е гравитационна сила, зависи от масата и радиуса на планетата, тогава ще бъде различно на различните планети. Тъй като радиусът на Луната е по-малък от радиуса на Земята, тогава силата на привличане на Луната е по-малка от тази на Земята 6 пъти. А на Юпитер, напротив, гравитацията е 2,4 пъти по-голяма от гравитацията на Земята. Но телесното тегло остава постоянно, независимо къде се измерва.
Много хора бъркат значението на теглото и гравитацията, вярвайки, че гравитацията винаги е равна на теглото. Но не е.
Силата, с която тялото притиска опората или разтяга окачването, това е теглото. Ако се премахне опората или окачването, тялото ще започне да пада с ускорението на свободното падане под действието на гравитацията. Силата на гравитацията е пропорционална на масата на тялото. Изчислява се по формулатаЕ= m ж , Където м- телесна маса, g-ускорение на гравитацията.
Телесното тегло може да се промени, а понякога и да изчезне напълно. Представете си, че сме в асансьор на последния етаж. Асансьорът си заслужава. В този момент нашето тегло P и силата на гравитацията F, с която Земята ни тегли, са равни. Но веднага щом асансьорът започна да се движи надолу с ускорение А , теглото и гравитацията вече не са равни. Според втория закон на Нютонмг+ P = ma. P \u003d m g -ма.
От формулата се вижда, че теглото ни намалява с движението надолу.
В момента, в който асансьорът набра скорост и започна да се движи без ускорение, нашето тегло отново е равно на гравитацията. И когато асансьорът започна да забавя движението си, ускорение Астана отрицателна и теглото се увеличи. Има претоварване.
И ако тялото се движи надолу с ускорението на свободното падане, тогава теглото напълно ще стане равно на нула.
При а=ж Р=mg-ma= mg - mg=0
Това е състояние на безтегловност.
Така че без изключение всички материални тела във Вселената се подчиняват на закона за всемирното притегляне. И планетите около Слънцето, и всички тела, които са близо до повърхността на Земята.
На въпроса "Какво е сила?" физиката отговаря по следния начин: „Силата е мярка за взаимодействието на материалните тела едно с друго или между телата и други материални обекти - физически полета". Всички сили в природата могат да бъдат приписани на четири основни типа взаимодействия: силно, слабо, електромагнитно и гравитационно. Нашата статия говори за това какво представляват гравитационните сили - мярка за последния и може би най-разпространения вид на тези взаимодействия в природата.
Да започнем с привличането на земята
Всеки жив знае, че има сила, която дърпа предметите към земята. Обикновено се нарича гравитация, гравитация или земно привличане. Поради присъствието си, човек има понятията "горе" и "долу", които определят посоката на движение или местоположението на нещо спрямо земната повърхност. Така че в конкретен случай на повърхността на земята или близо до нея се проявяват гравитационни сили, които привличат обекти с маса един към друг, проявявайки своето действие на всякакви, както най-малки, така и много големи, дори по космически стандарти, разстояния.
Гравитацията и третият закон на Нютон
Както знаете, всяка сила, ако се разглежда като мярка за взаимодействие на физически тела, винаги се прилага към едно от тях. Така че при гравитационното взаимодействие на телата едно с друго всяко от тях изпитва такива видове гравитационни сили, които са причинени от влиянието на всяко от тях. Ако има само две тела (приема се, че действието на всички останали може да се пренебрегне), тогава всяко от тях, съгласно третия закон на Нютон, ще привлече друго тяло със същата сила. Така Луната и Земята се привличат взаимно, което води до приливи и отливи на земните морета.
Всяка планета в Слънчевата система изпитва няколко сили на привличане от Слънцето и други планети едновременно. Разбира се, гравитационната сила на Слънцето е тази, която определя формата и размера на орбитата му, но астрономите отчитат и влиянието на други небесни тела при изчисленията на техните траектории.
Какво ще падне по-бързо на земята от високо?
Основната характеристика на тази сила е, че всички обекти падат на земята с еднаква скорост, независимо от тяхната маса. Някога, до 16 век, се е смятало, че е точно обратното – по-тежките тела трябва да падат по-бързо от леките. За да разсее това погрешно схващане, Галилео Галилей трябваше да извърши известния си експеримент за едновременно пускане на две гюлета с различно тегло от наклонената кула в Пиза. Противно на очакванията на свидетелите на експеримента, двете ядра достигат повърхността едновременно. Днес всеки ученик знае, че това се дължи на факта, че гравитацията дава на всяко тяло същото ускорение на свободното падане g = 9,81 m / s 2, независимо от масата m на това тяло, а стойността му, според втория закон на Нютон, е F = mg.
Гравитационните сили на Луната и другите планети са различни значениятова ускорение. Естеството на действието на гравитацията върху тях обаче е същото.
Гравитация и телесно тегло
Ако първата сила се прилага директно към самото тяло, то втората към неговата опора или окачване. В тази ситуация върху телата винаги действат еластични сили от страна на опори и окачвания. Гравитационните сили, приложени към същите тела, действат спрямо тях.
Представете си тежест, окачена над земята на пружина. Към нея се прилагат две сили: еластичната сила на опъната пружина и силата на гравитацията. Според третия закон на Нютон товарът действа върху пружината със сила, равна и противоположна на еластичната сила. Тази сила ще бъде неговата тежест. За товар с тегло 1 kg теглото е P \u003d 1 kg ∙ 9,81 m / s 2 \u003d 9,81 N (нютон).
Гравитационни сили: определение
Първата количествена теория за гравитацията, основана на наблюдения на движението на планетите, е формулирана от Исак Нютон през 1687 г. в неговите известни принципи на естествената философия. Той пише, че привличащите сили, които действат върху Слънцето и планетите, зависят от количеството материя, която съдържат. Те се разпространяват на големи разстояния и винаги намаляват като реципрочна стойност на квадрата на разстоянието. Как могат да се изчислят тези гравитационни сили? Формулата за силата F между два обекта с маси m 1 и m 2, разположени на разстояние r е:
- F \u003d Gm 1 m 2 / r 2,
където G е константата на пропорционалността, гравитационната константа.
Физическият механизъм на гравитацията
Нютон не беше напълно доволен от своята теория, тъй като тя включваше взаимодействие между гравитиращи тела на разстояние. Самият велик англичанин е бил убеден, че трябва да има някакъв физически агент, отговорен за прехвърлянето на действието на едно тяло към друго, за което той говори съвсем ясно в едно от своите писма. Но времето, когато беше въведено понятието гравитационно поле, което прониква в цялото пространство, дойде едва след четири века. Днес, говорейки за гравитация, можем да говорим за взаимодействие на всяко (космическо) тяло с гравитационното поле на други тела, чиято мярка са гравитационните сили, възникващи между всяка двойка тела. Законът за всемирното притегляне, формулиран от Нютон в горната форма, остава верен и се потвърждава от много факти.
Теория на гравитацията и астрономия
Той беше много успешно приложен за решаване на проблеми в небесната механика през 18-ти век началото на XIXвек. Например математиците Д. Адамс и В. Льо Верие, анализирайки нарушенията на орбитата на Уран, предположиха, че върху него действат гравитационни сили на взаимодействие с все още неизвестна планета. Те посочиха предполагаемото му местоположение и скоро астрономът И. Гале откри там Нептун.
Имаше обаче един проблем. Le Verrier изчислява през 1845 г., че орбитата на Меркурий прецесира 35"" на век, за разлика от нулева стойносттази прецесия, получена от теорията на Нютон. Последвалите измервания дадоха по-точна стойност от 43"". (Наблюдаваната прецесия наистина е 570""/век, но старателно изчисление за изваждане на влиянието от всички останали планети дава стойност от 43"".)
Едва през 1915 г. Алберт Айнщайн успя да обясни това несъответствие по отношение на своята теория за гравитацията. Оказа се, че масивното Слънце, както всяко друго масивно тяло, огъва пространство-времето в близост до него. Тези ефекти причиняват отклонения в орбитите на планетите, но Меркурий, като най-малката и най-близка планета до нашата звезда, те се проявяват най-силно.
Инерционни и гравитационни маси
Както беше отбелязано по-горе, Галилей беше първият, който забеляза, че обектите падат на земята с еднаква скорост, независимо от тяхната маса. Във формулите на Нютон понятието маса идва от две различни уравнения. Неговият втори закон гласи, че силата F, приложена към тяло с маса m, дава ускорение съгласно уравнението F = ma.
Но силата на гравитацията F, приложена към тяло, удовлетворява формулата F = mg, където g зависи от друго тяло, взаимодействащо с разглежданото (на земята, обикновено когато говорим за гравитация). И в двете уравнения m е фактор на пропорционалност, но в първия случай това е инерционна маса, а във втория е гравитация и няма очевидна причина те да са еднакви за всеки физически обект.
Всички експерименти обаче показват, че това наистина е така.
Теорията на Айнщайн за гравитацията
Като отправна точка за своята теория той взема факта за равенството на инертните и гравитационните маси. Той успя да конструира уравненията на гравитационното поле, известните уравнения на Айнщайн, и с тяхна помощ да изчисли правилната стойност за прецесията на орбитата на Меркурий. Те също така дават измерена стойност за отклонението на светлинните лъчи, които преминават близо до Слънцето, и няма съмнение, че от тях следват правилните резултати за макроскопичната гравитация. Теорията на Айнщайн за гравитацията или общата теория на относителността (ОТО), както я нарича той, е един от най-големите триумфи на съвременната наука.
Гравитационните сили са ускорение?
Ако не можете да правите разлика между инерционна маса и гравитационна маса, тогава не можете да правите разлика между гравитация и ускорение. Вместо това експеримент в гравитационно поле може да се извърши в бързо движещ се асансьор в отсъствие на гравитация. Когато астронавт в ракета ускорява, отдалечавайки се от земята, той изпитва сила на гравитация, която е няколко пъти по-голяма от тази на земята и по-голямата част от нея идва от ускорението.
Ако никой не може да различи гравитацията от ускорението, тогава първото винаги може да бъде възпроизведено чрез ускорение. Система, в която ускорението замества гравитацията, се нарича инерционна. Следователно Луната в околоземна орбита също може да се разглежда като инерциална система. Тази система обаче ще се различава от точка до точка, тъй като гравитационното поле се променя. (В примера с Луната гравитационното поле променя посоката си от една точка към друга.) Принципът, че винаги може да се намери инерционна рамка във всяка точка на пространството и времето, в която физиката се подчинява на законите при липса на гравитация, се нарича принцип на еквивалентност.
Гравитацията като проява на геометричните свойства на пространство-времето
Фактът, че гравитационните сили могат да се разглеждат като ускорения в инерционни координатни системи, които се различават от точка до точка, означава, че гравитацията е геометрична концепция.
Казваме, че пространство-времето е извито. Помислете за топка върху равна повърхност. Той ще почива или, ако няма триене, ще се движи равномерно при липса на каквито и да е сили, действащи върху него. Ако повърхността е извита, топката ще се ускори и ще се придвижи до най-ниската точка, поемайки по най-краткия път. По подобен начин теорията на Айнщайн гласи, че четириизмерното пространство-време е извито и тялото се движи в това извито пространство по геодезична линия, която съответства на най-късия път. Следователно гравитационното поле и действащите в него гравитационни сили върху физическите тела са геометрични величини, които зависят от свойствата на пространство-времето, които се променят най-силно в близост до масивни тела.
Зареждане...
