Grawitacja: formuła, definicja. referat

Absolutnie wszystkie ciała we Wszechświecie podlegają magicznej sile, która w jakiś sposób przyciąga je do Ziemi (a dokładniej do jej jądra). Nie ma dokąd uciec, nie ma gdzie się schować przed wszechogarniającą magiczną grawitacją: planety naszego Układu Słonecznego przyciąga nie tylko ogromne Słońce, ale także do siebie nawzajem, wszystkie obiekty, cząsteczki i najmniejsze atomy są również wzajemnie przyciągane . znany nawet małym dzieciom, poświęcając swoje życie badaniu tego zjawiska, ustanowił jedno z największych praw - prawo powszechnego ciążenia.

Czym jest grawitacja?

Definicja i formuła są od dawna znane wielu. Przypomnijmy, że siła grawitacji jest pewną wielkością, jednym z naturalnych przejawów powszechnej grawitacji, a mianowicie: siłą, z jaką każde ciało jest niezmiennie przyciągane do Ziemi.

Siła grawitacji jest oznaczona łacińską literą F ciężki.

Grawitacja: formuła

Jak obliczyć skierowane do określonego ciała? Jakie inne ilości musisz znać, aby to zrobić? Wzór na obliczenie grawitacji jest dość prosty, uczy się go w 7 klasie liceum ogólnokształcącego, na początku kursu fizyki. Aby go nie tylko poznać, ale i zrozumieć, należy wyjść z tego, że siła grawitacji działająca niezmiennie na ciało jest wprost proporcjonalna do jego wartości ilościowej (masy).

Nazwa jednostki grawitacji pochodzi od nazwiska wielkiego naukowca Newtona.

Jest ona zawsze skierowana ściśle w dół do środka jądra Ziemi, pod jego wpływem wszystkie ciała opadają z jednostajnym przyspieszeniem. Zjawiska grawitacji obserwujemy w codziennym życiu wszędzie i nieustannie:

przedmioty, przypadkowo lub specjalnie wypuszczone z rąk, nieuchronnie spadają na Ziemię (lub na jakąkolwiek powierzchnię uniemożliwiającą swobodny spadek);
satelita wystrzelony w kosmos nie odlatuje od naszej planety na nieskończoną odległość prostopadle w górę, ale pozostaje na orbicie;
wszystkie rzeki płyną z gór i nie można ich odwrócić;
zdarza się, że osoba upada i jest ranna;
najmniejsze cząsteczki kurzu zalegają na wszystkich powierzchniach;
powietrze koncentruje się na powierzchni ziemi;
trudne do noszenia torby;
deszcz pada z chmur i chmur, pada śnieg, grad.

Wraz z pojęciem „grawitacji” używany jest termin „masa ciała”. Jeśli ciało jest umieszczone na płaskiej poziomej powierzchni, to jego ciężar i ciężar są liczbowo równe, więc te dwie koncepcje są często zastępowane, co wcale nie jest poprawne.

Przyśpieszenie grawitacyjne

Pojęcie „przyspieszenia swobodnego spadania” (innymi słowy wiąże się z terminem „grawitacja”. Wzór pokazuje: aby obliczyć siłę grawitacji, należy pomnożyć masę przez g (przyspieszenie St. p.) .).

„g” = 9,8 N/kg, jest to wartość stała. Jednak dokładniejsze pomiary pokazują, że ze względu na obrót Ziemi wartość przyspieszenia św. p. nie jest to samo i zależy od szerokości geograficznej: na biegunie północnym wynosi = 9,832 N / kg, a na równiku parnym = 9,78 N / kg. Okazuje się, że w różnych miejscach planety na ciała o jednakowej masie kierowana jest inna siła grawitacji (wzór mg nadal pozostaje niezmieniony). Do obliczeń praktycznych zdecydowano się uwzględnić drobne błędy w tej wartości i zastosować średnią wartość 9,8 N/kg.

Proporcjonalność takiej wielkości jak grawitacja (dowodem na to formuła) pozwala zmierzyć wagę przedmiotu za pomocą dynamometru (podobnie jak w zwykłym gospodarstwie domowym). Należy pamiętać, że przyrząd wyświetla tylko siłę, ponieważ lokalna wartość „g” musi być znana, aby określić dokładną masę ciała.

Czy grawitacja działa w dowolnej (zarówno bliskiej, jak i dalekiej) odległości od środka Ziemi? Newton postawił hipotezę, że oddziałuje na ciało nawet w znacznej odległości od Ziemi, ale jego wartość maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości obiektu od jądra Ziemi.

Grawitacja w Układzie Słonecznym

Czy istnieje definicja i formuła dotycząca innych planet zachowują swoją aktualność. Z tylko jedną różnicą w znaczeniu „g”:

na Księżycu = 1,62 N/kg (sześć razy mniej niż na Ziemi);
na Neptunie = 13,5 N/kg (prawie półtora raza więcej niż na Ziemi);
na Marsie = 3,73 N/kg (ponad dwa i pół razy mniej niż na naszej planecie);
na Saturnie = 10,44 N/kg;
na rtęci = 3,7 N/kg;
na Wenus = 8,8 N/kg;
na Uranie = 9,8 N/kg (praktycznie taki sam jak nasz);
na Jowiszu = 24 N/kg (prawie dwa i pół raza więcej).

Nie tylko najbardziej tajemnicze siły natury ale także najpotężniejszy.

Człowiek na drodze do postępu

Historycznie było to człowiek jak idziesz naprzód ścieżki postępu opanował coraz potężniejsze siły natury. Zaczął, gdy nie miał nic poza kijem w pięści i własną siłą fizyczną.

Był jednak mądry i wniósł na służbę fizyczną siłę zwierząt, czyniąc je domowymi. Koń przyspieszył bieg, wielbłąd uczynił pustynię przejezdną, słoń bagienną dżunglą. Ale siły fizyczne nawet najsilniejszych zwierząt są niezmiernie małe w porównaniu z siłami natury.

Pierwsza osoba ujarzmiła żywioł ognia, ale tylko w jego najbardziej osłabionych wersjach. Początkowo – przez wiele stuleci – jako opał stosował wyłącznie drewno – bardzo mało energochłonny rodzaj paliwa. Nieco później nauczył się wykorzystywać energię wiatru z tego źródła energii, mężczyzna uniósł w powietrze białe skrzydło żagla - a lekki statek przeleciał nad falami jak ptak.

Żaglówka na falach

Wystawił ostrza wiatraka na podmuchy wiatru - a ciężkie kamienie wirowały na kamieniach młyńskich, grzechotały tłuczki kaszy. Ale dla wszystkich jest jasne, że energia strumieni powietrznych jest daleka od koncentracji. Ponadto zarówno żagiel, jak i wiatrak bały się podmuchów wiatru: burza zerwała żagle i zatopiła statki, burza złamała skrzydła i przewróciła młyny.

Jeszcze później człowiek zaczął podbijać płynącą wodę. Koło jest nie tylko najbardziej prymitywnym urządzeniem, które potrafi zamieniać energię wody w ruch obrotowy, ale także najbardziej słabą w porównaniu z innymi.

Człowiek posuwał się naprzód po drabinie postępu i potrzebował coraz więcej energii.
Zaczął stosować nowe rodzaje opału – już przejście na spalanie węgla zwiększyło energochłonność kilograma paliwa z 2500 kcal do 7000 kcal – prawie trzykrotnie. Potem przyszedł czas na ropę i gaz. Ponownie, zawartość energetyczna każdego kilograma paliw kopalnych wzrosła od półtora do dwóch razy.

Silniki parowe zostały zastąpione turbinami parowymi; koła młyńskie zostały zastąpione turbinami hydraulicznymi. Wtedy mężczyzna wyciągnął rękę do rozszczepialnego atomu uranu. Jednak pierwsze użycie nowego rodzaju energii miało tragiczne konsekwencje – jądrowy płomień Hiroszimy w 1945 roku w ciągu kilku minut spalił 70 tysięcy ludzkich serc.

W 1954 r. uruchomiono pierwszą na świecie radziecką elektrownię jądrową, zamieniając moc uranu w moc promieniowania prądu elektrycznego. A trzeba zaznaczyć, że kilogram uranu zawiera dwa miliony razy więcej energii niż kilogram najlepszej ropy.

Był to całkowicie nowy ogień, który można by nazwać fizycznym, ponieważ to fizycy badali procesy prowadzące do narodzin tak bajecznych ilości energii.
Uran nie jest jedynym paliwem jądrowym. Używany jest już mocniejszy rodzaj paliwa - izotopy wodoru.

Niestety, człowiek nie był jeszcze w stanie ujarzmić jądrowego płomienia wodorowo-helowego. Wie, jak na chwilę zapalić swój wszechogarniający ogień, podpalając reakcję w bombie wodorowej z błyskiem wybuchu uranu. Ale coraz bliżej naukowcy widzą reaktor wodorowy, który będzie generował prąd elektryczny w wyniku fuzji jąder izotopów wodoru w jądra helu.

Ponownie, ilość energii, jaką człowiek może pobrać z każdego kilograma paliwa, wzrośnie prawie dziesięciokrotnie. Ale czy ten krok będzie ostatnim w nadchodzącej historii władzy człowieka nad siłami natury?

Nie! Naprzód - opanowanie grawitacyjnej formy energii. Naturalnie pakuje go nawet ostrożniej niż energia fuzji wodorowo-helowej. Dziś jest to najbardziej skoncentrowana forma energii, o której człowiek może się nawet domyślać.

Nic więcej nie jest tam jeszcze widoczne, poza najnowocześniejszą nauką. I choć śmiało możemy powiedzieć, że elektrownie będą pracować dla człowieka, przetwarzając energię grawitacyjną na prąd elektryczny (a może na strumień gazu wylatujący z dyszy silnika odrzutowego, albo na planowaną transformację wszechobecnych atomów krzemu i tlenu na atomy ultrarzadkich metali), nie możemy jeszcze nic powiedzieć o szczegółach takiej elektrowni (silnik rakietowy, reaktor fizyczny).

Siła powszechnej grawitacji u początków narodzin galaktyk

Siła powszechnej grawitacji tkwi u początków narodzin galaktyk z materii przedgwiezdnej, jak jest przekonany akademik V.A. Ambartsumyan. Wygasza również gwiazdy, które wypaliły swój czas, spędziwszy gwiezdne paliwo przydzielone im po urodzeniu.

Tak, rozejrzyj się: wszystko na Ziemi jest w dużej mierze kontrolowane przez tę siłę.

To ona określa warstwową strukturę naszej planety - przemianę litosfery, hydrosfery i atmosfery. To ona utrzymuje grubą warstwę gazów powietrznych, na dnie której i dzięki której wszyscy istniejemy.

Gdyby nie było grawitacji, Ziemia natychmiast wyrwałaby się ze swojej orbity wokół Słońca, a sam glob rozpadłby się, rozdarty przez siły odśrodkowe. Trudno znaleźć coś, co nie byłoby w takim czy innym stopniu zależne od siły powszechnego ciążenia.

Oczywiście starożytni filozofowie, ludzie bardzo spostrzegawczy, nie mogli nie zauważyć, że kamień rzucony w górę zawsze wraca. Platon w IV wieku pne wyjaśnił to faktem, że wszystkie substancje we wszechświecie dążą do tego, gdzie koncentruje się większość podobnych substancji: rzucony kamień spada na ziemię lub opada na dno, rozlana woda przesącza się do najbliższego stawu lub do rzeki, która uchodzi do morza, dym z ognia wpada na pokrewne mu chmury.

Uczeń Platona, Arystoteles, wyjaśnił, że wszystkie ciała mają szczególne właściwości ciężkości i lekkości. Ciała ciężkie - kamienie, metale - pędzą do centrum wszechświata, światło - ogień, dym, opary - na obrzeża. Ta hipoteza, która wyjaśnia niektóre zjawiska związane z siłą powszechnej grawitacji, istnieje od ponad 2 tysięcy lat.

Naukowcy o sile grawitacji

Prawdopodobnie pierwszy podniósł kwestię siła grawitacji naprawdę naukowy, był geniusz renesansu - Leonardo da Vinci. Leonardo głosił, że grawitacja jest charakterystyczna nie tylko dla Ziemi, że istnieje wiele środków ciężkości. Zasugerował też, że siła grawitacji zależy od odległości od środka ciężkości.

Prace Kopernika, Galileusza, Keplera, Roberta Hooke'a coraz bardziej zbliżały do idei prawa powszechnego ciążenia, ale w ostatecznym sformułowaniu prawo to na zawsze kojarzy się z imieniem Izaaka Newtona.

Isaac Newton o sile grawitacji

Urodzony 4 stycznia 1643 r. Ukończył Uniwersytet w Cambridge, został licencjatem, a następnie - magistrem nauk ścisłych.

Izaak Newton

Wszystko, co następuje, to nieskończone bogactwo prac naukowych. Ale jego głównym dziełem są „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”, opublikowane w 1687 roku i zwykle nazywane po prostu „Początkami”. To w nich formułuje się wielkie. Chyba wszyscy pamiętają go z liceum.

Wszystkie ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu mas tych ciał i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi ...

Niektóre zapisy tego sformułowania można było przewidzieć przez poprzedników Newtona, ale nie zostało ono jeszcze nikomu podane w całości. Potrzebny był geniusz Newtona, aby poskładać te fragmenty w jedną całość, aby rozprzestrzenić przyciąganie Ziemi do Księżyca, a Słońca do całego układu planetarnego.

Z prawa powszechnego ciążenia Newton wyprowadził wszystkie prawa ruchu planet, odkryte wcześniej przez Keplera. Były to po prostu jego konsekwencje. Co więcej, Newton wykazał, że nie tylko prawa Keplera, ale i odstępstwa od tych praw (w świecie trzech lub więcej ciał) są wynikiem powszechnej grawitacji… To był wielki triumf nauki.

Wydawało się, że główna siła natury, która porusza światy, została wreszcie odkryta i opisana matematycznie, siła, której podlegają molekuły powietrza, jabłka i Słońce. Gigantyczny, niezmiernie ogromny był krok Newtona.

Pierwszy popularyzator twórczości genialnego naukowca, francuski pisarz Francois Marie Arouet, znany na całym świecie pod pseudonimem Voltaire, powiedział, że Newton, gdy spojrzał na spadające jabłko, nagle odgadł istnienie prawa nazwanego jego imieniem.

Sam Newton nigdy nie wspomniał o tym jabłku. I nie warto dzisiaj tracić czasu na obalanie tej pięknej legendy. I najwyraźniej Newton doszedł do zrozumienia wielkiej siły natury poprzez logiczne rozumowanie. Prawdopodobnie znalazł się w odpowiednim rozdziale „Początków”.

Siła grawitacji wpływa na lot jądra

Załóżmy, że na bardzo wysokiej górze, tak wysokiej, że jej wierzchołek jest już poza atmosferą, ustawiliśmy gigantyczny dział artyleryjski. Jego lufa została ustawiona ściśle równolegle do powierzchni kuli i wystrzelona. Opisywanie łuku rdzeń spada na ziemię.

Zwiększamy ładunek, poprawiamy jakość prochu, w taki czy inny sposób sprawiamy, że rdzeń porusza się z większą prędkością po kolejnym strzale. Łuk opisany przez rdzeń staje się bardziej płaski. Rdzeń spada znacznie dalej od podnóża naszej góry.

Zwiększamy również szarżę i strzelamy. Jądro leci po tak łagodnej trajektorii, że opada równolegle do powierzchni kuli ziemskiej. Rdzeń nie może już spaść na Ziemię: z taką samą prędkością, z jaką spada, Ziemia wymyka się spod niego. A po opisaniu pierścienia wokół naszej planety rdzeń powraca do punktu wyjścia.

Pistolet można w międzyczasie wyjąć. Przecież lot jądra dookoła globu zajmie ponad godzinę. A potem rdzeń szybko przeleci nad szczytem góry i zatoczy nowy krąg wokół Ziemi. Upadek, jeśli tak jak ustaliliśmy, rdzeń nie napotka żadnego oporu powietrza, to nigdy nie będzie.

Prędkość rdzenia w tym przypadku powinna być bliska 8 km/s. A jeśli zwiększysz prędkość lotu rdzenia? Najpierw pofrunie po łuku, łagodniejszym niż krzywizna powierzchni Ziemi, i zacznie się od niej oddalać. Jednocześnie zmniejszy się jego prędkość pod wpływem ziemskiej grawitacji.

I wreszcie, obracając się, zacznie jakby opadać z powrotem na Ziemię, ale przeleci obok niej i nie zatoczy już koła, ale elipsę. Jądro będzie poruszało się wokół Ziemi dokładnie w taki sam sposób, w jaki Ziemia porusza się wokół Słońca, czyli po elipsie, w jednym z ognisk, w których będzie znajdował się środek naszej planety.

Jeśli jeszcze bardziej zwiększymy początkową prędkość jądra, elipsa okaże się bardziej rozciągnięta. Możliwe jest rozciągnięcie tej elipsy w taki sposób, że jądro osiągnie orbitę Księżyca lub nawet znacznie dalej. Ale dopóki prędkość początkowa tego jądra nie przekroczy 11,2 km/s, pozostanie satelitą Ziemi.

Jądro, które po wystrzeleniu uzyskało prędkość ponad 11,2 km/s, na zawsze odleci z Ziemi po trajektorii parabolicznej. Jeśli elipsa jest krzywą zamkniętą, to parabola jest krzywą, która ma dwie gałęzie idące w nieskończoność. Poruszając się po elipsie, bez względu na to, jak bardzo by ona była wydłużona, nieuchronnie będziemy systematycznie powracać do punktu wyjścia. Poruszając się po paraboli nigdy nie wrócimy do punktu wyjścia.

Ale opuszczając Ziemię z taką prędkością, jądro nie będzie jeszcze w stanie lecieć w nieskończoność. Potężna grawitacja Słońca nagina trajektorię swojego lotu, zamykając się wokół siebie jak trajektoria planety. Rdzeń stanie się siostrą Ziemi, maleńką planetą w naszej własnej rodzinie planet.

Aby skierować jądro poza układ planetarny, aby przezwyciężyć przyciąganie słoneczne, konieczne jest wyznaczenie mu prędkości ponad 16,7 km/s i skierowanie go tak, aby do tej prędkości dodać prędkość własnego ruchu Ziemi .

Prędkość około 8 km/s (prędkość ta zależy od wysokości góry, z której strzela nasza broń) nazywana jest prędkością kołową, prędkości od 8 do 11,2 km/s są eliptyczne, od 11,2 do 16,7 km/s są paraboliczne, a powyżej tej liczby - wyzwalające prędkości.

W tym miejscu należy dodać, że podane wartości tych prędkości obowiązują tylko dla Ziemi. Gdybyśmy mieszkali na Marsie, prędkość kołowa byłaby nam znacznie łatwiejsza do osiągnięcia – tam jest tylko około 3,6 km/s, a prędkość paraboliczna to tylko nieco ponad 5 km/s.

Z drugiej strony znacznie trudniej byłoby wysłać jądro w lot kosmiczny z Jowisza niż z Ziemi: prędkość kołowa na tej planecie wynosi 42,2 km/s, a prędkość paraboliczna to nawet 61,8 km/s!

Najtrudniej byłoby mieszkańcom Słońca opuścić swój świat (o ile oczywiście taki mógłby istnieć). Prędkość kołowa tego giganta powinna wynosić 437,6, a prędkość separacji - 618,8 km / s!

Tak więc Newton pod koniec XVII wieku, sto lat przed pierwszym lotem balonu braci Montgolfier napełnionym ciepłym powietrzem, dwieście lat przed pierwszymi lotami samolotu braci Wright i prawie ćwierć tysiąclecia wcześniej. start pierwszych rakiet na ciecz wskazał drogę do nieba dla satelitów i statków kosmicznych.

Siła grawitacji tkwi w każdej sferze

Przez prawo grawitacji odkryto nieznane planety, powstały kosmogoniczne hipotezy dotyczące powstania Układu Słonecznego. Główna siła natury, która kontroluje gwiazdy, planety, jabłka w ogrodzie i molekuły gazu w atmosferze, została odkryta i opisana matematycznie.

Ale nie znamy mechanizmu powszechnej grawitacji. Grawitacja newtonowska nie wyjaśnia, ale wizualnie przedstawia obecny stan ruchu planet.

Nie wiemy, co powoduje wzajemne oddziaływanie wszystkich ciał Wszechświata. I nie można powiedzieć, że Newton nie był tym zainteresowany. Przez wiele lat zastanawiał się nad jej możliwym mechanizmem.

Nawiasem mówiąc, jest to rzeczywiście niezwykle tajemnicza moc. Siła objawiająca się przez setki milionów kilometrów przestrzeni, na pierwszy rzut oka pozbawiona jakichkolwiek formacji materialnych, za pomocą której można by wyjaśnić przeniesienie oddziaływania.

Hipotezy Newtona

ORAZ Niuton uciekał się do hipoteza o istnieniu pewnego eteru, który rzekomo wypełnia cały Wszechświat. W 1675 r. wyjaśnił przyciąganie do Ziemi tym, że wypełniający cały Wszechświat eter pędzi do środka Ziemi ciągłymi strumieniami, wychwytując wszystkie obiekty w tym ruchu i tworząc siłę grawitacyjną. Ten sam strumień eteru pędzi do Słońca i wlokąc planety, komety, zapewnia ich eliptyczne trajektorie...

Nie była to zbyt przekonująca, choć absolutnie matematycznie logiczna hipoteza. Ale teraz, w 1679, Newton stworzył nową hipotezę wyjaśniającą mechanizm grawitacji. Tym razem nadaje eterowi właściwość różnej koncentracji w pobliżu planet i daleko od nich. Im dalej od środka planety, tym rzekomo gęstszy eter. I ma właściwość wyciskania wszystkich ciał materialnych z ich gęstszych warstw w mniej gęste. I wszystkie ciała są wyciskane na powierzchnię Ziemi.

W 1706 Newton ostro zaprzecza istnieniu eteru. W 1717 powraca ponownie do hipotezy wyciskania eteru.

Pomysłowy mózg Newtona walczył o rozwiązanie wielkiej tajemnicy i go nie znalazł. To tłumaczy tak ostre rzucanie z boku na bok. Newton zwykł mawiać:

Nie stawiam hipotez.

I chociaż, jak mogliśmy tylko zweryfikować, nie jest to do końca prawda, możemy z całą pewnością stwierdzić coś innego: Newton był w stanie wyraźnie odróżnić rzeczy niepodważalne od niestabilnych i kontrowersyjnych hipotez. A w elementach jest formuła wielkiego prawa, ale nie ma próby wyjaśnienia jego mechanizmu.
Wielki fizyk przekazał tę zagadkę człowiekowi przyszłości. Zmarł w 1727 roku.
Do dziś nie zostało to rozwiązane.

Dyskusja o fizycznej istocie prawa Newtona trwała dwa stulecia. I być może ta dyskusja nie dotyczyłaby samej istoty prawa, gdyby odpowiedział dokładnie na wszystkie postawione mu pytania.

Ale faktem jest, że z czasem okazało się, że to prawo nie jest uniwersalne. Że zdarzają się przypadki, kiedy nie potrafi wyjaśnić tego czy innego zjawiska. Podajmy przykłady.

Siła grawitacji w obliczeniach Seeligera

Pierwszym z nich jest paradoks Seeligera. Uważając Wszechświat za nieskończony i jednolicie wypełniony materią, Seeliger próbował obliczyć, zgodnie z prawem Newtona, uniwersalną siłę grawitacyjną wytworzoną przez całą nieskończenie dużą masę nieskończonego Wszechświata w niektórych jego punktach.

Nie było to łatwe zadanie z punktu widzenia czystej matematyki. Po pokonaniu wszystkich trudności najbardziej złożonych transformacji Seeliger odkrył, że pożądana siła powszechnej grawitacji jest proporcjonalna do promienia Wszechświata. A ponieważ ten promień jest równy nieskończoności, siła grawitacji musi być nieskończenie duża. W praktyce jednak tego nie widzimy. Oznacza to, że prawo powszechnego ciążenia nie dotyczy całego wszechświata.

Możliwe są jednak również inne wyjaśnienia paradoksu. Na przykład możemy założyć, że materia nie wypełnia równomiernie całego Wszechświata, ale jej gęstość stopniowo maleje i wreszcie gdzieś bardzo daleko nie ma w ogóle materii. Ale wyobrażenie sobie takiego obrazu oznacza przyznanie możliwości istnienia przestrzeni bez materii, co jest generalnie absurdalne.

Możemy założyć, że siła grawitacji słabnie szybciej niż rośnie kwadrat odległości. Ale to poddaje w wątpliwość zaskakującą harmonię prawa Newtona. Nie, a to wyjaśnienie nie zadowoliło naukowców. Paradoks pozostał paradoksem.

Obserwacje ruchu Merkurego

Inny fakt, działanie siły powszechnego ciążenia, niewyjaśnione przez prawo Newtona, spowodowało obserwacja ruchu Merkurego- najbliżej planety. Precyzyjne obliczenia zgodnie z prawem Newtona wykazały, że perehelium – punkt elipsy, wzdłuż którego Merkury porusza się najbliżej Słońca – powinien przemieścić się o 531 sekund kątowych w ciągu 100 lat.

Astronomowie odkryli, że przesunięcie to wynosi 573 sekundy kątowe. Tego nadmiaru - 42 sekundy kątowe - również nie mogli wyjaśnić naukowcy, posługując się jedynie wzorami wynikającymi z prawa Newtona.

Wyjaśnił zarówno paradoks Seeligera, jak i przesunięcie perhelium Merkurego, a także wiele innych paradoksalnych zjawisk i niewytłumaczalnych faktów Alberta Einsteina, jeden z największych, jeśli nie największy fizyk wszechczasów. Wśród irytujących drobiazgów było pytanie o eteryczny wiatr.

Eksperymenty Alberta Michelsona

Wydawało się, że to pytanie nie dotyczy bezpośrednio problemu grawitacji. Odnosił się do optyki, do światła. Dokładniej, do definicji jego prędkości.

Duński astronom jako pierwszy określił prędkość światła. Olaf Remer obserwując zaćmienie księżyców Jowisza. Stało się to już w 1675 roku.

amerykański fizyk Albert Michelson pod koniec XVIII w. za pomocą zaprojektowanego przez siebie aparatu przeprowadził szereg oznaczeń prędkości światła w warunkach ziemskich.

W 1927 r. podał prędkość światła 299796 + 4 km/s, co jak na tamte czasy było doskonałą dokładnością. Ale istota sprawy jest inna. W 1880 roku postanowił zbadać eteryczny wiatr. Chciał ostatecznie ustalić istnienie tego samego eteru, za pomocą którego starali się wyjaśnić zarówno transmisję oddziaływania grawitacyjnego, jak i transmisję fal świetlnych.

Michelson był prawdopodobnie najbardziej niezwykłym eksperymentatorem swoich czasów. Miał doskonały sprzęt. I był prawie pewien sukcesu.

Esencja doświadczenia

Doświadczenie został pomyślany w ten sposób. Ziemia porusza się po swojej orbicie z prędkością około 30 km/s.. Porusza się w powietrzu. Oznacza to, że prędkość światła ze źródła znajdującego się przed odbiornikiem w stosunku do ruchu Ziemi musi być większa niż ze źródła znajdującego się po drugiej stronie. W pierwszym przypadku prędkość wiatru eterycznego należy dodać do prędkości światła, w drugim prędkość światła musi się zmniejszyć o tę wartość.

Oczywiście prędkość Ziemi na swojej orbicie wokół Słońca wynosi tylko jedną dziesięciotysięczną prędkości światła. Znalezienie tak małego terminu jest bardzo trudne, ale Michelson nie bez powodu został nazwany królem precyzji. Wykorzystał pomysłowy sposób, aby uchwycić „nieuchwytną” różnicę w prędkościach promieni świetlnych.

Rozdzielił wiązkę na dwa równe strumienie i skierował je we wzajemnie prostopadłych kierunkach: wzdłuż południka i wzdłuż równoleżnika. Odbite od luster promienie powróciły. Gdyby wiązka biegnąca wzdłuż równoleżnika doświadczyła wpływu wiatru eterycznego, gdy została dodana do wiązki południkowej, powinny powstać prążki interferencyjne, fale dwóch wiązek zostałyby przesunięte w fazie.

Jednak Michelsonowi trudno było zmierzyć ścieżki obu promieni z tak dużą dokładnością, aby były dokładnie takie same. Dlatego zbudował aparat tak, aby nie było prążków interferencyjnych, a następnie obrócił go o 90 stopni.

Belka południkowa stała się równoleżnikowa i odwrotnie. W przypadku zwiewnego wiatru pod okularem powinny pojawić się czarne i jasne paski! Ale nie byli. Być może, obracając urządzenie, naukowiec przesunął je.

Ustawił go w południe i naprawił. W końcu oprócz tego, że obraca się również wokół osi. I dlatego o różnych porach dnia wiązka równoleżnikowa zajmuje inną pozycję w stosunku do nadchodzącego eterycznego wiatru. Teraz, gdy aparat jest całkowicie nieruchomy, można być przekonanym o trafności eksperymentu.

Znowu nie było żadnych prążków interferencyjnych. Eksperyment przeprowadzono wiele razy, a Michelson, a wraz z nim wszyscy fizycy tamtych czasów, byli zdumieni. Nie wykryto eterycznego wiatru! Światło poruszało się we wszystkich kierunkach z tą samą prędkością!

Nikt nie był w stanie tego wyjaśnić. Michelson wielokrotnie powtarzał eksperyment, ulepszał sprzęt iw końcu osiągnął niemal niesamowitą dokładność pomiaru, o rząd wielkości większą niż była konieczna do powodzenia eksperymentu. I znowu nic!

Eksperymenty Alberta Einsteina

Kolejny duży krok w znajomość siły grawitacji gotowy Alberta Einsteina.
Albert Einstein został kiedyś zapytany:

Jak doszedłeś do swojej szczególnej teorii względności? W jakich okolicznościach wpadłeś na genialny pomysł? Naukowiec odpowiedział: „Zawsze wydawało mi się, że tak jest.

Może nie chciał być szczery, może chciał pozbyć się irytującego rozmówcy. Ale trudno sobie wyobrazić, że idea Einsteina dotycząca związków między czasem, przestrzenią i prędkością była wrodzona.

Nie, oczywiście na początku było przeczucie jasne jak błyskawica. Potem rozpoczął się rozwój. Nie, nie ma sprzeczności ze znanymi zjawiskami. I wtedy pojawiło się te pięć stron pełnych formuł, które zostały opublikowane w fizycznym czasopiśmie. Strony, które otworzyły nową erę w fizyce.

Wyobraź sobie statek kosmiczny lecący w przestrzeni. Ostrzegamy Cię od razu: statek kosmiczny jest bardzo osobliwy, taki, o jakim nie czytałeś w opowiadaniach science fiction. Jego długość wynosi 300 tysięcy kilometrów, a prędkość to, powiedzmy, 240 tysięcy km/s. A ten statek kosmiczny przelatuje obok jednej z pośrednich platform w kosmosie, nie zatrzymując się na niej. Na pełnej prędkości.

Jeden z pasażerów stoi na pokładzie statku z wachtą. A ty i ja, czytelniku, stoimy na platformie - jej długość musi odpowiadać wielkości statku kosmicznego, czyli 300 tysięcy kilometrów, inaczej nie będzie mógł się do niej przyczepić. A my też mamy w rękach zegarek.

Zauważamy, że w momencie, gdy dziób statku dogonił tylną krawędź naszej platformy, zabłysła na niej latarnia oświetlając otaczającą ją przestrzeń. Sekundę później promień światła dotarł do przedniej krawędzi naszej platformy. Nie wątpimy w to, ponieważ znamy prędkość światła i udało nam się dokładnie wskazać odpowiedni moment na zegarze. A na statku kosmicznym...

Ale statek kosmiczny również poleciał w kierunku wiązki światła. I całkiem na pewno widzieliśmy, że światło oświetlało jego rufę w momencie, gdy znajdowało się gdzieś blisko środka peronu. Na pewno widzieliśmy, że promień światła nie przeleciał 300 tysięcy kilometrów od dziobu do rufy statku.

Ale pasażerowie na pokładzie statku kosmicznego są pewni czegoś innego. Są pewni, że ich belka pokonał całą odległość od dziobu do rufy 300 tysięcy kilometrów. W końcu spędził nad tym całą sekundę. Oni również absolutnie dokładnie zapisali to na swoich zegarkach. A jak mogłoby być inaczej: przecież prędkość światła nie zależy od prędkości źródła…

Jak to? Widzimy jedną rzecz ze stałej platformy, a inną na pokładzie statku kosmicznego? O co chodzi?

Teoria względności Einsteina

Należy natychmiast zauważyć: Teoria względności Einsteina na pierwszy rzut oka całkowicie zaprzecza naszemu wyobrażeniu o strukturze świata. Można powiedzieć, że jest to również sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, ponieważ jesteśmy przyzwyczajeni do tego, aby to przedstawiać. Zdarzyło się to wielokrotnie w historii nauki.

Ale odkrycie kulistości Ziemi było sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Jak ludzie mogą żyć po przeciwnej stronie i nie wpaść w otchłań?

Dla nas kulistość Ziemi jest faktem niewątpliwym, a z punktu widzenia zdrowego rozsądku każde inne założenie jest bezsensowne i dzikie. Ale cofnij się w czasie, wyobraź sobie pierwsze pojawienie się tego pomysłu, a zrozumiesz, jak trudno byłoby go zaakceptować.

Czy łatwiej było przyznać, że Ziemia nie jest nieruchoma, ale leci po swojej trajektorii kilkadziesiąt razy szybciej niż kula armatnia?

Wszystko to były wraki zdrowego rozsądku. Dlatego współcześni fizycy nigdy się do tego nie odnoszą.

Wróćmy teraz do szczególnej teorii względności. Świat rozpoznał ją po raz pierwszy w 1905 roku z artykułu sygnowanego mało znanym nazwiskiem – Albert Einstein. A miał wtedy tylko 26 lat.

Einstein wyciągnął z tego paradoksu bardzo proste i logiczne założenie: z punktu widzenia obserwatora na platformie w jadącym samochodzie minęło mniej czasu niż zmierzył twój zegarek. W samochodzie upływ czasu zwolnił w porównaniu do czasu na nieruchomym peronie.

Z tego założenia logicznie wynikało całkiem zdumiewające rzeczy. Okazało się, że osoba jadąca do pracy tramwajem, w porównaniu z pieszym idącym tą samą drogą, nie tylko oszczędza czas ze względu na prędkość, ale też jedzie dla niego wolniej.

Nie próbuj jednak w ten sposób zachować wiecznej młodości: nawet jeśli zostaniesz dorożkarzem i spędzisz jedną trzecią życia w tramwaju, za 30 lat zyskasz niewiele więcej niż milionową część sekundy. Aby zysk w czasie stał się zauważalny, konieczne jest poruszanie się z prędkością bliską prędkości światła.

Okazuje się, że wzrost prędkości ciał znajduje odzwierciedlenie w ich masie. Im prędkość ciała jest bliższa prędkości światła, tym większa jest jego masa. Przy prędkości ciała równej prędkości światła jego masa jest równa nieskończoności, czyli jest większa niż masa Ziemi, Słońca, Galaktyki, całego naszego Wszechświata… Tyle masy można skoncentrować w prostym bruku, przyspieszając go do prędkości
Swieta!

Nakłada to ograniczenie, które nie pozwala żadnemu materialnemu ciału rozwinąć prędkości równej prędkości światła. W końcu wraz ze wzrostem masy coraz trudniej jest ją rozproszyć. A nieskończona masa nie może być poruszana żadną siłą.

Jednak natura zrobiła bardzo ważny wyjątek od tego prawa dla całej klasy cząstek. Na przykład dla fotonów. Mogą poruszać się z prędkością światła. Dokładniej, nie mogą poruszać się z żadną inną prędkością. Nie do pomyślenia jest wyobrażenie sobie nieruchomego fotonu.

Podczas postoju nie ma masy. Ponadto neutrina nie mają masy spoczynkowej, a ponadto są skazane na wieczny, nieskrępowany lot w kosmosie z maksymalną możliwą prędkością w naszym Wszechświecie, bez wyprzedzania światła i nadążania za nim.

Czy nie jest prawdą, że każda z wymienionych przez nas konsekwencji szczególnej teorii względności jest zaskakująca, paradoksalna! I każdy oczywiście jest sprzeczny ze „zdrowym rozsądkiem”!

Ale co jest interesujące: nie w swojej konkretnej formie, ale jako szerokie stanowisko filozoficzne, wszystkie te zdumiewające konsekwencje przewidzieli twórcy materializmu dialektycznego. Co mówią te implikacje? O połączeniach łączących energię i masę, masę i prędkość, prędkość i czas, prędkość i długość poruszającego się obiektu…

Odkrycie przez Einsteina współzależności, jak cement (więcej:), łączenie ze sobą zbrojenia, czy kamieni węgielnych, połączyło ze sobą rzeczy i zjawiska, które wcześniej wydawały się od siebie niezależne i stworzyło fundament, na którym po raz pierwszy w historii nauki się znalazł. możliwość zbudowania harmonijnego budynku. Ten budynek jest reprezentacją tego, jak działa nasz wszechświat.

Ale najpierw przynajmniej kilka słów o ogólnej teorii względności, również stworzonej przez Alberta Einsteina.

Alberta Einsteina

Ta nazwa – ogólna teoria względności – nie do końca odpowiada treści teorii, o której będziemy mówić. Ustanawia współzależność przestrzeni i materii. Najwyraźniej lepiej byłoby to nazwać teoria czasoprzestrzeni, lub teoria grawitacji.

Ale ta nazwa zrosła się tak blisko z teorią Einsteina, że nawet podnoszenie kwestii jej zastąpienia wydaje się teraz wielu naukowcom nieprzyzwoite.

Ogólna teoria względności ustaliła współzależność między materią a zawierającym ją czasem i przestrzenią. Okazało się, że nie tylko nie można sobie wyobrazić przestrzeni i czasu jako istniejących w oderwaniu od materii, ale ich właściwości zależą również od wypełniającej je materii.

Punkt wyjścia do dyskusji

Dlatego można tylko określić punkt wyjścia do dyskusji i wyciągnąć kilka ważnych wniosków.

Na początku kosmicznej podróży niespodziewana katastrofa zniszczyła bibliotekę, fundusz filmowy i inne repozytoria umysłu, pamięć o ludziach latających w kosmosie. A natura rodzimej planety została zapomniana na przestrzeni wieków. Zapomniano nawet o prawie powszechnej grawitacji, ponieważ rakieta leci w przestrzeni międzygalaktycznej, gdzie prawie jej nie wyczuwa.

Jednak silniki statku pracują znakomicie, dopływ energii w bateriach jest praktycznie nieograniczony. Przez większość czasu statek porusza się bezwładnie, a jego mieszkańcy są przyzwyczajeni do nieważkości. Ale czasami włączają silniki i zwalniają lub przyspieszają ruch statku. Kiedy dysze odrzutowe wpadają w pustkę bezbarwnym płomieniem, a statek porusza się w przyspieszonym tempie, mieszkańcy czują, że ich ciała stają się ciężkie, zmuszeni są chodzić wokół statku, a nie latać korytarzami.

A teraz lot jest bliski zakończenia. Statek leci do jednej z gwiazd i wpada na orbity najbardziej odpowiedniej planety. Statki wychodzą, idąc po świeżej, zielonej ziemi, nieustannie doświadczając tego samego uczucia ciężkości, znanego z czasów, gdy statek poruszał się w przyspieszonym tempie.

Ale planeta porusza się równo. Nie może lecieć w ich kierunku ze stałym przyspieszeniem 9,8 m/s2! I mają pierwsze założenie, że pole grawitacyjne (siła grawitacyjna) i przyspieszenie dają ten sam efekt, a być może mają wspólny charakter.

Żaden z naszych ziemskich rówieśników nie odbył tak długiego lotu, ale wiele osób odczuwało zjawisko „obciążania” i „rozjaśniania” swojego ciała. Już zwykła winda, gdy porusza się w przyspieszonym tempie, tworzy to uczucie. Podczas schodzenia odczuwasz nagłą utratę wagi, natomiast podczas wchodzenia podłoga naciska na Twoje nogi z większą siłą niż zwykle.

Ale jedno uczucie niczego nie dowodzi. Wszakże doznania przekonują nas, że Słońce porusza się po niebie wokół nieruchomej Ziemi, że wszystkie gwiazdy i planety znajdują się w tej samej odległości od nas, na firmamencie itp.

Naukowcy poddali doznania eksperymentalnej weryfikacji. Nawet Newton pomyślał o dziwnej tożsamości tych dwóch zjawisk. Próbował nadać im cechy liczbowe. Po zmierzeniu grawitacji i , był przekonany, że ich wartości są zawsze ściśle sobie równe.

Z wszelkich materiałów wykonał wahadła zakładu pilotowego: ze srebra, ołowiu, szkła, soli, drewna, wody, złota, piasku, pszenicy. Wynik był taki sam.

Zasada równoważności, o którym mówimy, jest podstawą ogólnej teorii względności, chociaż współczesna interpretacja teorii nie potrzebuje już tej zasady. Pomijając wnioski matematyczne wynikające z tej zasady, przejdźmy bezpośrednio do niektórych konsekwencji ogólnej teorii względności.

Obecność dużych mas materii ma duży wpływ na otaczającą przestrzeń. Prowadzi to do takich zmian w nim, które można określić jako niejednorodności przestrzeni. Te niejednorodności kierują ruchem wszelkich mas znajdujących się blisko ciała przyciągającego.

Zwykle uciekaj się do takiej analogii. Wyobraź sobie płótno naciągnięte ciasno na ramie równoległej do powierzchni ziemi. Połóż na nim duży ciężar. To będzie nasza wielka masa przyciągająca. Ona oczywiście zginie płótno i wyląduje w jakiejś wnęce. Teraz przetocz kulkę po tym płótnie w taki sposób, aby część jej toru znajdowała się obok przyciągającej masy. W zależności od tego, jak piłka zostanie wystrzelona, możliwe są trzy opcje.

Piłka odleci wystarczająco daleko od wgłębienia powstałego w wyniku ugięcia płótna i nie zmieni swojego ruchu.
Kula dotknie wgłębienia, a linie jej ruchu będą wyginać się w kierunku przyciągającej masy.
Kula wpadnie do tej dziury, nie będzie mogła się z niej wydostać i wykona jeden lub dwa obroty wokół grawitującej masy.

Czy nie jest prawdą, że trzecia opcja bardzo pięknie modeluje uchwycenie przez gwiazdę lub planetę obcego ciała niedbale wlatującego w ich pole przyciągania?

A drugi przypadek to wygięcie trajektorii ciała lecącego z prędkością większą niż możliwa prędkość przechwytywania! Pierwszy przypadek jest podobny do latania poza praktycznym zasięgiem pola grawitacyjnego. Tak, jest to praktyczne, bo teoretycznie pole grawitacyjne jest nieograniczone.

Oczywiście jest to bardzo odległa analogia, przede wszystkim dlatego, że nikt tak naprawdę nie wyobraża sobie ugięcia naszej trójwymiarowej przestrzeni. Jakie jest fizyczne znaczenie tego ugięcia lub krzywizny, jak często mówią, nikt nie wie.

Z ogólnej teorii względności wynika, że każde ciało materialne może poruszać się w polu grawitacyjnym tylko po zakrzywionych liniach. Tylko w szczególnych przypadkach krzywa zamienia się w linię prostą.

Promień światła również przestrzega tej zasady. W końcu składa się z fotonów, które w locie mają określoną masę. A pole grawitacyjne działa na nią, podobnie jak na cząsteczkę, asteroidę czy planetę.

Kolejnym ważnym wnioskiem jest to, że pole grawitacyjne również zmienia bieg czasu. W pobliżu dużej masy przyciągającej, w wytworzonym przez nią silnym polu grawitacyjnym upływ czasu powinien być wolniejszy niż oddalanie się od niego.

Widzisz, ogólna teoria względności obfituje w paradoksalne wnioski, które mogą raz po raz obalić nasze idee „zdrowego rozsądku”!

Zapaść grawitacyjna

Porozmawiajmy o niesamowitym zjawisku o charakterze kosmicznym - o zawaleniu grawitacyjnym (katastroficznym ściskaniu). Zjawisko to występuje w gigantycznych akumulacjach materii, gdzie siły grawitacyjne osiągają tak ogromne wielkości, że żadne inne siły występujące w przyrodzie nie są w stanie im się oprzeć.

Zapamiętaj słynną formułę Newtona: im większa siła grawitacji, tym mniejszy kwadrat odległości między grawitującymi ciałami. Zatem im gęstsze staje się formowanie materiału, im mniejszy jest jego rozmiar, im szybciej narastają siły grawitacyjne, tym bardziej nieuniknione jest ich niszczące objęcie.

Istnieje sprytna technika, dzięki której natura zmaga się z pozornie nieograniczoną kompresją materii. W tym celu zatrzymuje bieg czasu w sferze działania nadolbrzymów grawitacyjnych, a spętane masy materii są jakby wyłączone z naszego Wszechświata, zamrożone w dziwnym sennym śnie.

Prawdopodobnie pierwsza z tych „czarnych dziur” kosmosu została już odkryta. Zgodnie z założeniem radzieckich naukowców O. Kh. Huseynova i A. Sh. Novruzova, jest to delta Bliźniąt - podwójna gwiazda z jednym niewidzialnym składnikiem.

Widoczny składnik ma masę 1,8 Słońca, a jego niewidzialny „partner” powinien być, według obliczeń, cztery razy masywniejszy od widocznego. Ale nie ma po nim śladów: nie można zobaczyć najbardziej niesamowitego stworzenia natury, „czarnej dziury”.

Radziecki naukowiec prof. K.P. Staniukowicz, jak mówią, „na czubku długopisu”, wykazał za pomocą czysto teoretycznych konstrukcji, że cząstki „materii zamrożonej” mogą mieć bardzo różne rozmiary.

Możliwe są jej gigantyczne formacje, podobne do kwazarów, stale emitujące tyle energii, ile promieniuje wszystkie 100 miliardów gwiazd naszej Galaktyki.
Możliwe są znacznie skromniejsze kępy, równe zaledwie kilku masom Słońca. Zarówno te, jak i inne przedmioty mogą powstać same ze zwykłej, nie „śpiącej” materii.
I możliwe są formacje zupełnie innej klasy, proporcjonalne do masy cząstek elementarnych.

Aby mogły powstać, trzeba najpierw poddać wytwarzającą je materię gigantycznej presji i wepchnąć ją w granice sfery Schwarzschilda - sfery, w której czas dla zewnętrznego obserwatora całkowicie się zatrzymuje. A nawet jeśli po tym ciśnienie zostanie nawet usunięte, cząstki, dla których zatrzymał się czas, będą nadal istnieć niezależnie od naszego Wszechświata.

plankeony

Plankeony to bardzo specjalna klasa cząstek. Posiadają, zdaniem K.P. Stanyukowicza, niezwykle ciekawą właściwość: niosą w sobie materię w postaci niezmienionej, takiej jaką było miliony i miliardy lat temu. Zaglądając do wnętrza plankeonu, mogliśmy zobaczyć materię taką, jaka była w czasie narodzin naszego wszechświata. Według obliczeń teoretycznych we Wszechświecie znajduje się około 1080 plankeonów, czyli około jeden plankeon w sześcianie przestrzeni o boku 10 centymetrów. Nawiasem mówiąc, w tym samym czasie co Stanukovich i (niezależnie od niego, hipotezę plankeonów wysunął akademik M.A. Markov. Tylko Markow nadał im inną nazwę - maksimony.

Specjalne właściwości plankeonów można również wykorzystać do wyjaśnienia niekiedy paradoksalnych przemian cząstek elementarnych. Wiadomo, że gdy zderzają się dwie cząstki, nigdy nie tworzą się fragmenty, ale powstają inne cząstki elementarne. To naprawdę niesamowite: w zwykłym świecie, rozbijając wazon, nigdy nie dostaniemy całych filiżanek ani nawet rozetek. Załóżmy jednak, że w głębinach każdej cząstki elementarnej znajduje się plankeon, jeden lub kilka, a czasem wiele plankeonów.

W momencie zderzenia cząstek ciasno związany „worek” plankeonu lekko się otwiera, niektóre cząstki „wpadają” do niego, a zamiast „wyskakują” te, które uważamy za powstałe podczas zderzenia. Jednocześnie plankeon, jako sumienny księgowy, zapewni wszystkie „prawa zachowania” przyjęte w świecie cząstek elementarnych.
A co ma z tym wspólnego mechanizm powszechnej grawitacji?

„Odpowiedzialne” za grawitację, zgodnie z hipotezą K. P. Stanyukowicza, są drobne cząstki, tzw. grawitony, emitowane w sposób ciągły przez cząstki elementarne. Gravitony są o wiele mniejsze niż te drugie, tak jak drobinka kurzu tańcząca w promieniu słońca jest mniejsza niż kula ziemska.

Promieniowanie grawitonów podlega szeregowi prawidłowości. W szczególności łatwiej im latać w ten rejon kosmosu. Który zawiera mniej grawitonów. Oznacza to, że jeśli w przestrzeni znajdują się dwa ciała niebieskie, oba będą emitować grawitony głównie „na zewnątrz”, w przeciwnych kierunkach. To tworzy impuls, który powoduje, że ciała zbliżają się do siebie, przyciągają się nawzajem.

Siła grawitacyjna to siła, z jaką przyciągają się do siebie obiekty o określonej masie, znajdujące się w pewnej odległości od siebie.

Angielski naukowiec Isaac Newton w 1867 r. odkrył prawo powszechnego ciążenia. To jedno z podstawowych praw mechaniki. Istota tego prawa jest następująca:dowolne dwie cząstki materialne są przyciągane do siebie z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi.

Siła przyciągania jest pierwszą siłą, jaką odczuwa dana osoba. Jest to siła, z jaką Ziemia działa na wszystkie ciała znajdujące się na jej powierzchni. I każda osoba odczuwa tę siłę jako swój własny ciężar.

Prawo grawitacji

Istnieje legenda, że Newton zupełnie przypadkowo odkrył prawo powszechnego ciążenia, spacerując wieczorem po ogrodzie swoich rodziców. Kreatywni ludzie nieustannie poszukują, a odkrycia naukowe nie są natychmiastowym wglądem, ale owocem długotrwałej pracy umysłowej. Siedząc pod jabłonią Newton myślał o innym pomyśle i nagle jabłko spadło mu na głowę. Dla Newtona było jasne, że jabłko spadło w wyniku ziemskiej grawitacji. „Ale dlaczego Księżyc nie spada na Ziemię? on myślał. „Oznacza to, że działa na niego jakaś inna siła, utrzymując go na orbicie”. W ten sposób słynni prawo grawitacji.

Naukowcy, którzy wcześniej badali rotację ciał niebieskich, wierzyli, że ciała niebieskie podlegają zupełnie innym prawom. Oznacza to, że założono, że na powierzchni Ziemi i w kosmosie istnieją zupełnie inne prawa przyciągania.

Newton połączył te rzekome rodzaje grawitacji. Analizując prawa Keplera opisujące ruch planet, doszedł do wniosku, że siła przyciągania powstaje pomiędzy dowolnymi ciałami. Oznacza to, że zarówno na jabłko, które spadło w ogrodzie, jak i na planety w kosmosie, działają siły, które podlegają temu samemu prawu – prawu powszechnego ciążenia.

Newton odkrył, że prawa Keplera działają tylko wtedy, gdy między planetami istnieje siła przyciągania. A siła ta jest wprost proporcjonalna do mas planet i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Siłę przyciągania oblicza się według wzoru F=G m 1 m 2 / r 2

m 1 to masa pierwszego ciała;

m2to masa drugiego ciała;

r to odległość między ciałami;

g jest współczynnikiem proporcjonalności, który nazywa się stała grawitacyjna lub stała grawitacyjna.

Jego wartość została ustalona eksperymentalnie. g\u003d 6,67 10 -11 Nm 2 / kg 2

Jeżeli dwa punkty materialne o masie równej jednostce masy znajdują się w odległości równej jednostce odległości, to są przyciągane z siłą równą G.

Siły przyciągania to siły grawitacyjne. Nazywa się je również powaga. Podlegają prawu powszechnego ciążenia i pojawiają się wszędzie, ponieważ wszystkie ciała mają masę.

Siła grawitacji

Siła grawitacyjna w pobliżu powierzchni Ziemi to siła, z jaką wszystkie ciała są przyciągane do Ziemi. Nazywają ją powaga. Jest uważany za stały, jeśli odległość ciała od powierzchni Ziemi jest mała w porównaniu z promieniem Ziemi.

Ponieważ grawitacja, która jest siłą grawitacyjną, zależy od masy i promienia planety, będzie ona różna na różnych planetach. Ponieważ promień Księżyca jest mniejszy niż promień Ziemi, siła przyciągania Księżyca jest 6 razy mniejsza niż na Ziemi. Natomiast na Jowiszu grawitacja jest 2,4 razy większa niż grawitacja na Ziemi. Ale masa ciała pozostaje stała, bez względu na to, gdzie jest mierzona.

Wiele osób myli znaczenie wagi i grawitacji, wierząc, że grawitacja jest zawsze równa wadze. Ale nie jest.

Siła, z jaką ciało naciska na podporę lub rozciąga zawieszenie, to jest ciężar. Jeśli podpora lub zawieszenie zostaną usunięte, ciało zacznie spadać z przyspieszeniem swobodnego spadania pod działaniem grawitacji. Siła grawitacji jest proporcjonalna do masy ciała. Oblicza się go według wzoruF= m g , gdzie m- masa ciała, g- przyśpieszenie grawitacyjne.

Masa ciała może się zmienić, a czasem całkowicie zniknąć. Wyobraź sobie, że jesteśmy w windzie na najwyższym piętrze. Winda jest tego warta. W tym momencie nasza waga P i siła grawitacji F, z jaką przyciąga nas Ziemia, są sobie równe. Ale jak tylko winda zaczęła zjeżdżać w dół z przyspieszeniem ale , waga i grawitacja nie są już równe. Zgodnie z drugim prawem Newtonamg+ P = ma. P \u003d m g -mama.

Z formuły widać, że nasza waga spadała, gdy poruszaliśmy się w dół.

W momencie, gdy winda nabrała prędkości i zaczęła poruszać się bez przyspieszenia, nasza waga znów jest równa grawitacji. A kiedy winda zaczęła zwalniać ruch, przyspieszenie ale stała się ujemna, a waga wzrosła. Jest przeciążenie.

A jeśli ciało porusza się w dół z przyspieszeniem swobodnego spadania, ciężar całkowicie stanie się równy zeru.

Na a=g r=mg-ma= mg - mg=0

To jest stan nieważkości.

Tak więc bez wyjątku wszystkie ciała materialne we Wszechświecie podlegają prawu powszechnego ciążenia. I planety wokół Słońca i wszystkie ciała znajdujące się blisko powierzchni Ziemi.

Wiek XVI-XVII słusznie nazywany jest przez wielu jednym z najwspanialszych okresów na świecie, kiedy to w dużej mierze położono podwaliny, bez których dalszy rozwój tej nauki byłby po prostu nie do pomyślenia. Kopernik, Galileusz, Kepler wykonali świetną robotę, ogłaszając fizykę nauką, która może odpowiedzieć na prawie każde pytanie. W całym szeregu odkryć wyróżnia się prawo powszechnego ciążenia, którego ostateczne sformułowanie należy do wybitnego angielskiego naukowca Izaaka Newtona.

Główne znaczenie prac tego naukowca nie polegało na odkryciu siły powszechnego ciążenia - zarówno Galileusz, jak i Kepler mówili o obecności tej ilości jeszcze przed Newtonem, ale to, że jako pierwszy udowodnił, że to samo siły działają zarówno na Ziemi, jak iw przestrzeni kosmicznej, te same siły oddziaływania między ciałami.

Newton w praktyce potwierdził i teoretycznie uzasadnił fakt, że absolutnie wszystkie ciała we Wszechświecie, w tym te znajdujące się na Ziemi, oddziałują ze sobą. To oddziaływanie nazywa się grawitacyjnym, podczas gdy sam proces powszechnej grawitacji nazywa się grawitacją.
Ta interakcja zachodzi między ciałami, ponieważ istnieje specjalny rodzaj materii, w przeciwieństwie do innych, który w nauce nazywa się polem grawitacyjnym. Pole to istnieje i działa wokół absolutnie każdego obiektu, podczas gdy nie ma przed nim ochrony, ponieważ ma niezrównaną zdolność penetracji wszelkich materiałów.

Siła powszechnego ciążenia, której definicję i sformułowanie podał, jest bezpośrednio zależna od iloczynu mas oddziałujących ze sobą ciał i odwrotnie od kwadratu odległości między tymi obiektami. Według Newtona, bezsprzecznie potwierdzoną badaniami praktycznymi, siłę powszechnego ciążenia określa następujący wzór:

W nim szczególne znaczenie ma stała grawitacyjna G, która jest w przybliżeniu równa 6,67 * 10-11 (N * m2) / kg2.

Siła grawitacyjna, z jaką ciała przyciągane są do Ziemi, jest szczególnym przypadkiem prawa Newtona i nazywana jest grawitacją. W tym przypadku stałą grawitacyjną i masę samej Ziemi można pominąć, więc wzór na znalezienie siły grawitacji będzie wyglądał tak:

Tutaj g jest niczym innym jak przyspieszeniem, którego wartość liczbowa wynosi w przybliżeniu 9,8 m/s2.

Prawo Newtona wyjaśnia nie tylko procesy zachodzące bezpośrednio na Ziemi, ale daje odpowiedź na wiele pytań dotyczących budowy całego Układu Słonecznego. W szczególności siła powszechnego ciążenia między nimi ma decydujący wpływ na ruch planet na ich orbitach. Teoretyczny opis tego ruchu podał Kepler, ale jego uzasadnienie stało się możliwe dopiero po sformułowaniu słynnego prawa Newtona.

Sam Newton połączył zjawiska grawitacji ziemskiej i pozaziemskiej na prostym przykładzie: wystrzelony z niego nie leci prosto, ale po łukowatej trajektorii. W tym samym czasie, wraz ze wzrostem ładunku prochu i masy jądra, ten ostatni będzie leciał coraz dalej. Wreszcie, jeśli przyjmiemy, że można zdobyć tyle prochu i skonstruować taką armatę, że kula armatnia będzie latać dookoła globu, to po wykonaniu tego ruchu nie zatrzyma się, lecz będzie kontynuować swój ruch kołowy (elipsoidalny), zamieniając się w sztuczną, dzięki czemu siła uniwersalnej grawitacji jest taka sama w naturze zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie.

DEFINICJA

Prawo powszechnego ciążenia odkrył I. Newton:

Dwa ciała przyciągają się za pomocą , który jest wprost proporcjonalny do ich iloczynu i odwrotnie proporcjonalny do kwadratu odległości między nimi:

Opis prawa grawitacji

Współczynnik jest stałą grawitacyjną. W układzie SI stała grawitacyjna ma wartość:

Ta stała, jak widać, jest bardzo mała, więc siły grawitacyjne między ciałami o małych masach są również małe i praktycznie niewyczuwalne. Jednak ruch ciał kosmicznych jest całkowicie zdeterminowany grawitacją. Obecność powszechnej grawitacji, czyli inaczej oddziaływania grawitacyjnego, wyjaśnia, co Ziemia i planety „trzymają” i dlaczego poruszają się wokół Słońca po określonych trajektoriach i nie odlatują od niego. Prawo powszechnego ciążenia pozwala nam określić wiele cech ciał niebieskich – masy planet, gwiazd, galaktyk, a nawet czarnych dziur. To prawo pozwala nam z dużą dokładnością obliczyć orbity planet i stworzyć matematyczny model Wszechświata.

Za pomocą prawa powszechnego ciążenia można również obliczyć prędkości kosmiczne. Na przykład minimalna prędkość, z jaką ciało poruszające się poziomo nad powierzchnią Ziemi nie spadnie na nią, ale będzie poruszać się po orbicie kołowej, wynosi 7,9 km/s (pierwsza prędkość kosmiczna). Aby opuścić Ziemię, tj. aby przezwyciężyć przyciąganie grawitacyjne, ciało musi mieć prędkość 11,2 km/s (druga prędkość kosmiczna).

Grawitacja to jedno z najbardziej niesamowitych zjawisk naturalnych. W przypadku braku sił grawitacyjnych istnienie Wszechświata byłoby niemożliwe, Wszechświat nie mógłby nawet powstać. Grawitacja odpowiada za wiele procesów we Wszechświecie - jej narodziny, istnienie porządku zamiast chaosu. Natura grawitacji wciąż nie jest w pełni zrozumiała. Do tej pory nikomu nie udało się opracować godnego mechanizmu i modelu oddziaływania grawitacyjnego.

Siła grawitacji

Szczególnym przypadkiem manifestacji sił grawitacyjnych jest grawitacja.

Grawitacja jest zawsze skierowana pionowo w dół (w kierunku środka Ziemi).

Jeśli siła grawitacji działa na ciało, wtedy ciało działa. Rodzaj ruchu zależy od kierunku i modułu prędkości początkowej.

Na co dzień mamy do czynienia z siłą grawitacji. , po chwili jest na ziemi. Księga wypuszczona z rąk upada. Po skoku osoba nie odlatuje w kosmos, ale spada na ziemię.

Biorąc pod uwagę swobodny spadek ciała w pobliżu powierzchni Ziemi w wyniku oddziaływania grawitacyjnego tego ciała z Ziemią, możemy napisać:

skąd przyspieszenie swobodnego spadania:

Przyspieszenie swobodnego spadania nie zależy od masy ciała, ale od wysokości ciała nad Ziemią. Kula ziemska jest lekko spłaszczona na biegunach, więc ciała w pobliżu biegunów znajdują się nieco bliżej środka Ziemi. Pod tym względem przyspieszenie swobodnego spadania zależy od szerokości geograficznej obszaru: na biegunie jest nieco większe niż na równiku i innych szerokościach geograficznych (na równiku m / s, na biegunie północnym równika m / s.

Ten sam wzór pozwala znaleźć przyspieszenie swobodnego spadania na powierzchnię dowolnej planety o masie i promieniu.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1 (problem „ważenia” Ziemi)

Zadanie

Promień Ziemi wynosi km, przyspieszenie swobodnego spadania na powierzchnię planety m/s. Korzystając z tych danych, oszacuj przybliżoną masę Ziemi.

Rozwiązanie

Przyspieszenie swobodnego spadania na powierzchnię Ziemi:

skąd masa Ziemi:

W układzie C promień Ziemi m.

Podstawiając do wzoru wartości liczbowe wielkości fizycznych, szacujemy masę Ziemi:

Odpowiedź

Masa Ziemi kg.

PRZYKŁAD 2

Zadanie

Satelita Ziemi porusza się po orbicie kołowej na wysokości 1000 km od powierzchni Ziemi. Jak szybko porusza się satelita? Jak długo zajmuje satelita wykonanie jednego pełnego obrotu wokół Ziemi?

Rozwiązanie

Według , siła działająca na satelitę od strony Ziemi jest równa iloczynowi masy satelity i przyspieszenia, z jakim się porusza: