Od davnina je čovječanstvo razmišljalo o tome kako svijet. Zašto raste trava, zašto sunce sja, zašto ne možemo letjeti... Ovo posljednje je, inače, oduvijek posebno zanimalo ljude. Sada znamo da je razlog svemu gravitacija. Što je to i zašto je ovaj fenomen toliko važan na razini svemira, razmotrit ćemo danas.

Uvod

Znanstvenici su otkrili da sva masivna tijela međusobno privlače jedno drugo. Naknadno se pokazalo da ta tajanstvena sila također određuje kretanje nebeska tijela u njihovim stalnim orbitama. Istu teoriju gravitacije formulirao je genij čije su hipoteze unaprijed odredile razvoj fizike za mnoga nadolazeća stoljeća. Razvio i nastavio (iako u sasvim drugom smjeru) ovo učenje bio je Albert Einstein - jedan od najvećih umova prošlog stoljeća.

Stoljećima su znanstvenici promatrali gravitaciju, pokušavajući je razumjeti i izmjeriti. Konačno, u posljednjih nekoliko desetljeća čak je i takav fenomen kao što je gravitacija stavljen u službu čovječanstva (u određenom smislu, naravno). Što je to, kakva je definicija dotičnog pojma u modernoj znanosti?

znanstvena definicija

Ako proučavate djela antičkih mislilaca, možete saznati da latinska riječ "gravitas" znači "gravitacija", "privlačnost". Danas znanstvenici tako nazivaju univerzalnu i stalnu interakciju između materijalnih tijela. Ako je ta sila relativno slaba i djeluje samo na objekte koji se mnogo sporije kreću, tada je Newtonova teorija primjenjiva na njih. Ako je suprotno, treba se poslužiti Einsteinovim zaključcima.

Odmah rezervirajmo: trenutno sama priroda gravitacije u načelu nije u potpunosti proučena. Što je to, još uvijek ne razumijemo u potpunosti.

Teorije Newtona i Einsteina

Prema klasičnom učenju Isaaca Newtona, sva se tijela međusobno privlače silom koja je izravno proporcionalna njihovoj masi, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti koja se nalazi između njih. Einstein je, s druge strane, tvrdio da se gravitacija između objekata očituje u slučaju zakrivljenosti prostora i vremena (a zakrivljenost prostora je moguća samo ako u njemu postoji materija).

Ova je misao bila vrlo duboka, ali moderna istraživanja dokazati neku netočnost. Danas se vjeruje da gravitacija u svemiru samo savija prostor: vrijeme se može usporiti, pa čak i zaustaviti, ali realnost promjene oblika privremene materije nije teoretski potvrđena. Dakle, klasična Einsteinova jednadžba ne daje čak ni šansu da svemir nastavi utjecati na materiju i magnetsko polje u nastajanju.

U većoj mjeri poznat je zakon gravitacije (univerzalne gravitacije), čiji matematički izraz pripada upravo Newtonu:

\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]

Pod γ podrazumijeva se gravitacijska konstanta (ponekad se koristi simbol G), čija je vrijednost 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).

Međudjelovanje elementarnih čestica

Nevjerojatna složenost prostora oko nas uvelike je posljedica beskonačnog broja elementarne čestice. Između njih također postoje razne interakcije na razinama o kojima možemo samo nagađati. Međutim, sve vrste međudjelovanja elementarnih čestica međusobno se značajno razlikuju po svojoj snazi.

Najmoćnija od svih nama poznatih sila povezuje komponente zajedno atomska jezgra. Da biste ih razdvojili, morate potrošiti zaista ogromnu količinu energije. Što se tiče elektrona, njih za jezgru “vezuju” samo oni obični, a da bi se to zaustavilo, ponekad se koristi energija koja se javlja kao rezultat najobičnijeg kemijska reakcija. Gravitacija (što je to, već znate) u varijanti atoma i subatomskih čestica je najlakša vrsta interakcije.

Gravitacijsko polje je u ovom slučaju toliko slabo da ga je teško i zamisliti. Čudno, ali oni su ti koji "prate" kretanje nebeskih tijela, čiju masu je ponekad nemoguće zamisliti. Sve je to moguće zahvaljujući dvjema karakteristikama gravitacije, koje su posebno izražene kod velikih fizičkih tijela:

• Za razliku od atomskih, uočljiviji je na udaljenosti od objekta. Dakle, Zemljina gravitacija drži čak i Mjesec u svom polju, a slična sila Jupitera lako podržava orbite nekoliko satelita odjednom, od kojih je masa svakog sasvim usporediva sa Zemljinom!
• Osim toga, uvijek osigurava privlačnost između objekata, a s udaljenošću ta sila slabi pri maloj brzini.

Formiranje više ili manje koherentne teorije gravitacije dogodilo se relativno nedavno, i to upravo na temelju rezultata stoljetnih promatranja gibanja planeta i drugih nebeskih tijela. Zadatak je uvelike olakšala činjenica da se svi kreću u vakuumu, gdje jednostavno nema drugih mogućih interakcija. Galileo i Kepler, dva izvanredna astronoma tog vremena, pomogli su otvoriti put novim otkrićima svojim najvrjednijim opažanjima.

Ali samo veliki Isaac Newton je uspio stvoriti prvu teoriju gravitacije i izraziti je u matematičkom prikazu. Ovo je bio prvi zakon gravitacije, čiji je matematički prikaz prikazan gore.

Zaključci Newtona i nekih njegovih prethodnika

Za razliku od drugih fizičkih pojava koje postoje u svijetu oko nas, gravitacija se manifestira uvijek i svugdje. Morate shvatiti da je izraz "nulta gravitacija", koji se često nalazi u bliskoznanstvenim krugovima, krajnje netočan: čak ni bestežinsko stanje u svemiru ne znači da osoba ili svemirski brod privlačnost nekog masivnog objekta ne funkcionira.

Osim toga, sva materijalna tijela imaju određenu masu, izraženu u obliku sile koja je na njih djelovala i ubrzanja dobivenog tim udarom.

Dakle, gravitacijske sile proporcionalne su masi tijela. Numerički se mogu izraziti dobivanjem umnoška masa oba razmatrana tijela. Ova sila se strogo pokorava obrnutoj ovisnosti o kvadratu udaljenosti između objekata. Sve ostale interakcije sasvim drugačije ovise o udaljenostima između dva tijela.

Misa kao kamen temeljac teorije

Masa predmeta postala je posebna kontroverzna točka oko koje se cjelina moderna teorija Einsteinova gravitacija i relativnost. Ako se sjećate Drugog, onda vjerojatno znate da je masa obavezna karakteristika svakog fizičkog materijalno tijelo. Pokazuje kako će se neki objekt ponašati ako se na njega primijeni sila, bez obzira na njegovo podrijetlo.

Budući da sva tijela (prema Newtonu) ubrzavaju kada na njih djeluje vanjska sila, masa je ta koja određuje kolika će ta akceleracija biti. Pogledajmo jasniji primjer. Zamislite skuter i autobus: ako na njih primijenite potpuno istu silu, postići će različite brzine u različitim vremenima. Sve je to objašnjeno teorijom gravitacije.

Kakav je odnos između mase i privlačnosti?

Ako govorimo o gravitaciji, onda masa u ovoj pojavi ima ulogu potpuno suprotnu od one koju ima u odnosu na silu i ubrzanje tijela. Ona je primarni izvor same privlačnosti. Ako uzmete dva tijela i vidite kojom silom privlače treći objekt, koji se nalazi na jednakoj udaljenosti od prva dva, tada će omjer svih sila biti jednak omjeru masa prva dva objekta. Dakle, sila privlačenja izravno je proporcionalna masi tijela.

Ako uzmemo u obzir Treći Newtonov zakon, možemo vidjeti da on govori točno istu stvar. Sila gravitacije, koja djeluje na dva tijela koja se nalaze na jednakoj udaljenosti od izvora privlačnosti, izravno ovisi o masi tih objekata. U svakodnevnom životu o sili kojom tijelo privlači površinu planeta govorimo kao o njegovoj težini.

Rezimirajmo neke rezultate. Dakle, masa je usko povezana s ubrzanjem. Istovremeno, ona je ta koja određuje silu kojom će gravitacija djelovati na tijelo.

Značajke ubrzanja tijela u gravitacijskom polju

Ova nevjerojatna dvojnost razlog je zašto će u istom gravitacijskom polju ubrzanje potpuno različitih tijela biti jednako. Pretpostavimo da imamo dva tijela. Jednom od njih dodijelimo masu z, a drugom masu Z. Oba objekta su ispuštena na tlo, gdje slobodno padaju.

Kako se određuje odnos sila privlačenja? Prikazuje se najjednostavnijim matematička formula-z/Z. To je samo ubrzanje koje primaju kao rezultat sile gravitacije, bit će potpuno isto. Jednostavno rečeno, ubrzanje koje tijelo ima u gravitacijskom polju ni na koji način ne ovisi o njegovim svojstvima.

O čemu ovisi akceleracija u opisanom slučaju?

Ovisi samo (!) o masi objekata koji stvaraju to polje, kao io njihovom prostornom položaju. Dvostruka uloga mase i jednaka akceleracija raznih tijela u gravitacijskom polju otkriveni su relativno davno. Ovi fenomeni su dobili sljedeći naziv: "Princip ekvivalencije". Ovaj pojam još jednom naglašava da su akceleracija i inercija često ekvivalentni (naravno, u određenoj mjeri).

O važnosti G

Iz školskog tečaja fizike sjećamo se da je ubrzanje slobodnog pada na površini našeg planeta (Zemljina gravitacija) 10 m/s² (naravno 9,8, ali ova se vrijednost koristi radi lakšeg izračuna). Dakle, ako se otpor zraka ne uzme u obzir (na značajnoj visini s malom udaljenošću pada), tada će se učinak postići kada tijelo dobije povećanje ubrzanja od 10 m / s. svake sekunde. Tako će se knjiga koja je pala s drugog kata kuće do kraja leta kretati brzinom od 30-40 m/s. Jednostavno rečeno, 10 m/s je "brzina" gravitacije unutar Zemlje.

Ubrzanje gravitacije u fizikalnoj literaturi označava se slovom "g". Budući da je oblik Zemlje u određenoj mjeri sličniji mandarini nego sferi, vrijednost ove količine daleko je od toga da je ista u svim njezinim regijama. Dakle, na polovima je ubrzanje veće, a na vrhovima visoke planine postaje manji.

Čak iu rudarskoj industriji gravitacija igra važnu ulogu. Fizika ovog fenomena ponekad štedi mnogo vremena. Stoga su geolozi posebno zainteresirani za idealno točno određivanje g, jer to omogućuje istraživanje i pronalaženje mineralnih naslaga s iznimnom točnošću. Usput, kako izgleda formula gravitacije, u kojoj vrijednost koju smo razmotrili igra važnu ulogu? Evo je:

Bilješka! U ovom slučaju, gravitacijska formula pod G označava "gravitacijsku konstantu", čiju smo vrijednost već naveli gore.

Svojedobno je Newton formulirao gornja načela. Savršeno je razumio i jedinstvo i univerzalnost, ali nije mogao opisati sve aspekte ovog fenomena. Ta je čast pripala Albertu Einsteinu, koji je također uspio objasniti princip ekvivalencije. Njemu čovječanstvo duguje moderno razumijevanje same prirode prostorno-vremenskog kontinuuma.

Teorija relativnosti, radovi Alberta Einsteina

U vrijeme Isaaca Newtona vjerovalo se da se referentne točke mogu prikazati kao neke vrste krutih "šipki", uz pomoć kojih se utvrđuje položaj tijela u prostornom koordinatnom sustavu. Pritom se pretpostavljalo da će svi promatrači koji označavaju te koordinate biti u jednom vremenskom prostoru. Tih se godina ova odredba smatrala toliko očitom da se nije pokušavalo osporiti ili dopuniti. I to je razumljivo, jer unutar našeg planeta nema odstupanja u ovom pravilu.

Einstein je dokazao da bi točnost mjerenja bila stvarno značajna da se hipotetski sat kreće mnogo sporije od brzine svjetlosti. Jednostavno rečeno, ako jedan promatrač, krećući se sporije od brzine svjetlosti, prati dva događaja, onda će se oni za njega dogoditi u isto vrijeme. Prema tome, za drugog promatrača? čija je brzina jednaka ili veća, događaji se mogu dogoditi u različito vrijeme.

Ali kako je sila gravitacije povezana s teorijom relativnosti? Istražimo ovo pitanje u detalje.

Odnos relativnosti i gravitacijskih sila

NA posljednjih godina napravio ogroman broj otkrića u području subatomskih čestica. Sve više jača uvjerenje da ćemo pronaći konačnu česticu iza koje se naš svijet ne može podijeliti. To je upornija potreba da se točno otkrije kako na najmanje "cigle" našeg svemira utječu one temeljne sile koje su otkrivene u prošlom stoljeću, ili čak i ranije. Posebno je razočaravajuće što sama priroda gravitacije još nije objašnjena.

Zato je, nakon Einsteina, koji je ustanovio "nesposobnost" klasična mehanika Newtona u području koje se razmatra, istraživači su se usredotočili na potpuno preispitivanje ranije dobivenih podataka. Na mnogo načina, sama gravitacija je prošla reviziju. Što je to na razini subatomskih čestica? Ima li to ikakvo značenje u ovom nevjerojatnom višedimenzionalnom svijetu?

Jednostavno rješenje?

U početku su mnogi pretpostavljali da se razlika između Newtonove gravitacije i teorije relativnosti može objasniti sasvim jednostavno povlačenjem analogija iz područja elektrodinamike. Moglo bi se pretpostaviti da se gravitacijsko polje širi poput magnetskog, nakon čega se može proglasiti "posrednikom" u interakcijama nebeskih tijela, objašnjavajući mnoge nedosljednosti između starih i nova teorija. Činjenica je da bi tada relativne brzine širenja razmatranih sila bile puno manje od brzine svjetlosti. Pa kako su gravitacija i vrijeme povezani?

Načelno, sam Einstein je gotovo uspio konstruirati relativističku teoriju na temelju upravo takvih pogleda, samo je jedna okolnost spriječila njegovu namjeru. Nitko od tadašnjih znanstvenika nije imao nikakve podatke koji bi mogli pomoći u određivanju "brzine" gravitacije. Ali bilo je dosta informacija vezanih uz kretanje velikih masa. Kao što je poznato, oni su bili samo općepriznati izvor snažnih gravitacijskih polja.

Velike brzine snažno utječu na mase tijela, a to uopće nije poput interakcije brzine i naboja. Što je veća brzina, veća je i masa tijela. Problem je što bi zadnja vrijednost automatski postala beskonačna u slučaju kretanja brzinom svjetlosti ili većom. Stoga je Einstein zaključio da ne postoji gravitacijsko, već tenzorsko polje, za čiji opis treba koristiti puno više varijabli.

Njegovi sljedbenici došli su do zaključka da gravitacija i vrijeme praktički nemaju veze. Činjenica je da samo to tenzorsko polje može djelovati na prostor, ali ne može utjecati na vrijeme. Međutim, briljantni moderni fizičar Stephen Hawking ima drugačije stajalište. Ali to je sasvim druga priča...

U prirodi postoje različite sile koje karakteriziraju međudjelovanje tijela. Razmotrite one sile koje se javljaju u mehanici.

gravitacijske sile. Vjerojatno je prva sila čije je postojanje shvatio čovjek bila sila privlačenja koja djeluje na tijela sa strane Zemlje.

I trebalo je mnogo stoljeća da ljudi shvate da sila gravitacije djeluje između svih tijela. I trebalo je mnogo stoljeća da ljudi shvate da sila gravitacije djeluje između svih tijela. Tu je činjenicu prvi shvatio engleski fizičar Newton. Analizirajući zakone koji upravljaju gibanjem planeta (Keplerovi zakoni), došao je do zaključka da se promatrani zakoni gibanja planeta mogu ispuniti samo ako između njih postoji privlačna sila, koja je izravno proporcionalna njihovim masama, a obrnuto proporcionalna. na kvadrat udaljenosti između njih.

Newton je formulirao zakon gravitacije. Bilo koja dva tijela se međusobno privlače. Sila privlačenja između točkastih tijela usmjerena je duž ravne crte koja ih povezuje, izravno je proporcionalna masama oba i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih:

Pri tome se pod točkastim tijelima podrazumijevaju tijela čije su dimenzije višestruko manje od udaljenosti između njih.

Sile gravitacije nazivaju se gravitacijske sile. Koeficijent proporcionalnosti G naziva se gravitacijska konstanta. Njegova vrijednost određena je eksperimentalno: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².

gravitacija koja djeluje blizu površine Zemlje, usmjerena je prema njezinom središtu i izračunava se formulom:

gdje je g ubrzanje slobodnog pada (g = 9,8 m/s²).

Uloga gravitacije u živoj prirodi vrlo je značajna, budući da o njezinoj veličini uvelike ovise veličina, oblik i proporcije živih bića.

Tjelesna težina. Razmotrite što se događa kada se teret postavi na horizontalnu ravninu (oslonac). U prvom trenutku nakon spuštanja teret se počinje gibati prema dolje pod djelovanjem sile teže (slika 8).

Ravnina se savija i javlja se elastična sila (reakcija oslonca), usmjerena prema gore. Nakon što elastična sila (Fy) uravnoteži silu teže, prestaje spuštanje tijela i otklon oslonca.

Otklon nosača nastao je pod djelovanjem tijela, stoga određena sila (P) djeluje na nosač sa strane tijela, što se naziva težina tijela (slika 8, b). Prema trećem Newtonovom zakonu, težina tijela jednaka je sili reakcije oslonca i usmjerena je u suprotnom smjeru.

P \u003d - Fu \u003d F težak.

tjelesna težina zove se sila P, kojom tijelo djeluje na vodoravni oslonac koji u odnosu na njega miruje.

Budući da na nosač djeluje gravitacija (težina), on se deformira i zbog elastičnosti suprotstavlja sili gravitacije. Sile koje se u tom slučaju razvijaju sa strane oslonca nazivaju se silama reakcije oslonca, a samu pojavu razvoja protudjelovanja naziva se reakcija oslonca. Prema trećem Newtonovom zakonu, sila reakcije oslonca po veličini je jednaka sili teže tijela, a suprotnog joj je smjera.

Ako se osoba na osloncu kreće akceleracijom karika svog tijela usmjerenim od oslonca, tada se sila reakcije oslonca poveća za vrijednost ma, gdje je m masa osobe, a su akceleracije kojima pomiču se karike njegova tijela. Ovi dinamički učinci mogu se zabilježiti pomoću uređaja za mjerenje naprezanja (dinamograma).

Težina se ne smije brkati s tjelesnom masom. Masa tijela karakterizira njegova inercijska svojstva i ne ovisi ni o gravitacijskoj sili ni o ubrzanju kojim se giba.

Težina tijela karakterizira silu kojom ono djeluje na oslonac i ovisi i o sili gravitacije i o ubrzanju kretanja.

Na primjer, na Mjesecu je težina tijela oko 6 puta manja od težine tijela na Zemlji.Masa je u oba slučaja ista i određena je količinom tvari u tijelu.

U svakodnevnom životu, tehnologiji, sportu, težina se često označava ne u newtonima (N), već u kilogramima sile (kgf). Prijelaz s jedne jedinice na drugu provodi se prema formuli: 1 kgf = 9,8 N.

Kada su oslonac i tijelo nepomični, tada je masa tijela jednaka sili teže tog tijela. Kada se oslonac i tijelo kreću s nekim ubrzanjem, tada, ovisno o smjeru, tijelo može doživjeti bestežinsko stanje ili preopterećenje. Kada je akceleracija istog smjera i jednaka akceleraciji sile teže, težina tijela bit će nula, pa postoji bestežinsko stanje (ISS, brzo dizalo pri spuštanju). Kada je ubrzanje kretanja oslonca suprotno od ubrzanja slobodnog pada, osoba doživljava preopterećenje (polazak s površine Zemlje svemirske letjelice s ljudskom posadom, brzi lift koji ide gore).

Prvo zamislite Zemlju kao loptu koja se ne kreće (slika 3.1, a). Gravitacijska sila F između Zemlje (mase M) i tijela (mase m) određena je formulom: F=Gmm/r2

gdje je r polumjer Zemlje. Konstanta G je poznata kao univerzalna gravitacijska konstanta i izuzetno mali. Kada je r konstantan, sila F je konstantna. m. Privlačenje tijela mase m prema Zemlji određuje težinu tog tijela: W = mg Usporedba jednadžbi daje: g = const = GM/r 2 .

Privlačenje tijela mase m od strane Zemlje uzrokuje da ono padne "dolje" s akceleracijom g, koja je konstantna u svim točkama A, B, C i posvuda na Zemljina površina(Slika 3.1.6).

Dijagram sila slobodnog tijela također pokazuje da sa strane tijela mase m na Zemlju djeluje sila koja je usmjerena suprotno od sile koja na tijelo djeluje sa Zemlje. Međutim, masa Zemlje M je toliko velika da je ubrzanje "prema gore" a "Zemlje, izračunato formulom F \u003d Ma", beznačajno i može se zanemariti. Zemlja ima oblik različit od sfere: polumjer na polu r p manji je od polumjera na ekvatoru r e. To znači da sila privlačenja tijela mase m na polu F p \u003d GMm / r 2 p je veći nego na ekvatoru F e = GMm/r e . Stoga je akceleracija slobodnog pada g p na polu veća od akceleracije slobodnog pada g e na ekvatoru. Akceleracija g mijenja se s geografskom širinom u skladu s promjenom polumjera Zemlje.



Kao što znate, Zemlja je u stalnom kretanju. Okreće se oko svoje osi, svaki dan napravi jedan krug, a kruži oko Sunca s krugom od godinu dana. Uzimajući radi jednostavnosti Zemlju kao homogenu loptu, razmotrimo gibanje tijela mase m na polu A i na ekvatoru C (slika 3.2). U jednom danu tijelo u točki A okrene se za 360°, ostajući na mjestu, dok tijelo koje se nalazi u točki C prijeđe put od 2lg. Da bi se tijelo koje se nalazi u točki C gibalo po kružnoj putanji potrebna je neka sila. To je centripetalna sila, koja se određuje formulom mv 2 /r, gdje je v brzina tijela u orbiti. Sila gravitacijske privlačnosti koja djeluje na tijelo koje se nalazi u točki C, F = GMm/r mora:

a) osigurati kretanje tijela u krugu;

b) privući tijelo prema Zemlji.

Dakle, F = (mv 2 /r) + mg na ekvatoru, a F = mg na polu. To znači da se g mijenja sa zemljopisnom širinom kako se radijus orbite mijenja od r u C do nule u A.

Zanimljivo je zamisliti što bi se dogodilo kada bi se brzina Zemljine rotacije toliko povećala da bi centripetalna sila koja djeluje na tijelo na ekvatoru postala jednaka sili privlačenja, tj. mv 2 / r = F = GMm / r 2 . Ukupna gravitacijska sila koristila bi se isključivo za držanje tijela u točki C u kružnoj orbiti, a na površini Zemlje ne bi ostalo nikakve sile. Svako daljnje povećanje brzine rotacije Zemlje omogućilo bi tijelu da "odlebdi" u svemir. U isto vrijeme, ako se svemirska letjelica s astronautima na palubi lansira na visinu R iznad središta Zemlje brzinom v, tako da je zadovoljena jednakost mv*/R=F = GMm/R 2, tada ta letjelica će se okretati oko Zemlje u uvjetima bestežinskog stanja.

Točna mjerenja ubrzanja slobodnog pada g pokazuju da g varira s geografskom širinom, kao što je prikazano u tablici 3.1. Iz toga slijedi da se težina određenog tijela mijenja na površini Zemlje od maksimuma na geografskoj širini od 90 ° do minimuma na geografskoj širini od 0 °.



Na ovoj razini treninga, male promjene u ubrzanju g obično se zanemaruju i koristi se prosječna vrijednost od 9,81 m-s 2 . Da bi se pojednostavili izračuni, ubrzanje g često se uzima kao najbliži cijeli broj, tj. 10 ms - 2, i, prema tome, sila privlačenja koja djeluje sa Zemlje na tijelo mase 1 kg, tj. težine, uzima se kao 10 N. Većina ispitne komisije za ispitanike predlaže korištenje, kako bi se pojednostavili proračuni, g = 10 m-s - 2 ili 10 N-kg -1 ".

Najvažniji fenomen koji stalno proučavaju fizičari je gibanje. Elektromagnetski fenomeni, zakoni mehanike, termodinamički i kvantni procesi - sve je to širok raspon fragmenata svemira koje proučava fizika. I svi ti procesi svode se, ovako ili onako, na jedno - na.

U kontaktu s

Sve se u svemiru kreće. Gravitacija je poznata pojava svim ljudima od djetinjstva, rođeni smo u gravitacijskom polju našeg planeta, ovaj fizički fenomen percipiramo na najdubljoj intuitivnoj razini i, čini se, čak ni ne zahtijeva proučavanje.

Ali, nažalost, pitanje je zašto i Kako se sva tijela međusobno privlače?, do danas ostaje nepotpuno razotkriven, iako je proučavan uzduž i poprijeko.

U ovom članku ćemo razmotriti što je Newtonova univerzalna privlačnost - klasična teorija gravitacije. Međutim, prije nego što prijeđemo na formule i primjere, razgovarajmo o suštini problema privlačnosti i dajmo mu definiciju.

Možda je proučavanje gravitacije bio početak prirodne filozofije (znanosti o razumijevanju suštine stvari), možda je prirodna filozofija pokrenula pitanje suštine gravitacije, ali, na ovaj ili onaj način, pitanje gravitacije tijela zanima antička Grčka.

Pokret se shvaćao kao suština osjetilnih svojstava tijela, odnosno tijelo se gibalo dok ga promatrač vidi. Ako neki fenomen ne možemo izmjeriti, izvagati, opipati, znači li to da taj fenomen ne postoji? Naravno, nije. A kako je Aristotel to shvatio, počela su razmišljanja o biti gravitacije.

Kako se pokazalo danas, nakon mnogo desetaka stoljeća, gravitacija je osnova ne samo privlačnosti Zemlje i privlačnosti našeg planeta, već i osnova nastanka Svemira i gotovo svih postojećih elementarnih čestica.

Zadatak kretanja

Idemo trošiti misaoni eksperiment. Prihvatimo se lijeva ruka mala lopta. Uzmimo isti s desne strane. Pustimo desnu loptu i ona će početi padati. Lijevi ostaje u ruci, i dalje je nepomičan.

Zaustavimo mentalno protok vremena. Desna lopta koja pada "visi" u zraku, lijeva i dalje ostaje u ruci. Desna lopta je obdarena "energijom" kretanja, lijeva nije. Ali koja je duboka, značajna razlika između njih?

Gdje, u kojem dijelu lopte koja pada piše da se mora kretati? Ima istu masu, isti volumen. Ima iste atome i oni se ne razlikuju od atoma lopte u mirovanju. Lopta ima? Da, to je točan odgovor, ali kako lopta zna da ima potencijalnu energiju, gdje je ona u njoj zapisana?

To je zadatak koji su postavili Aristotel, Newton i Albert Einstein. I sva tri briljantna mislioca djelomično su riješila taj problem za sebe, ali danas postoji niz pitanja koja treba riješiti.

Newtonova gravitacija

Godine 1666. najveći engleski fizičar a mehaničar I. Newton otkrio je zakon koji je sposoban kvantitativno izračunati silu zbog koje sve materije u svemiru teže jedna drugoj. Taj se fenomen naziva univerzalna gravitacija. Na pitanje: "Formulirajte zakon univerzalne gravitacije", vaš bi odgovor trebao zvučati ovako:

Sila gravitacijske interakcije koja pridonosi privlačenju dvaju tijela je u izravnom odnosu s masama tih tijela a obrnuto proporcionalna udaljenosti između njih.

Važno! Newtonov zakon privlačenja koristi izraz "udaljenost". Ovaj pojam treba shvatiti ne kao udaljenost između površina tijela, već kao udaljenost između njihovih težišta. Na primjer, ako dvije lopte polumjera r1 i r2 leže jedna na drugoj, tada je udaljenost između njihovih površina nula, ali postoji privlačna sila. Radi se o tome da je udaljenost između njihovih središta r1+r2 različita od nule. Na kozmičkoj razini ovo pojašnjenje nije važno, ali za satelit u orbiti ta je udaljenost jednaka visini iznad površine plus polumjer našeg planeta. Udaljenost između Zemlje i Mjeseca također se mjeri kao udaljenost između njihovih središta, a ne njihovih površina.

Za zakon gravitacije formula je sljedeća:

,

• F je sila privlačenja,
• - mise,
• r - udaljenost,
• G je gravitacijska konstanta, jednaka 6,67 10−11 m³ / (kg s²).

Što je težina, ako smo upravo razmotrili silu privlačenja?

Sila je vektorska veličina, ali se u zakonu univerzalne gravitacije tradicionalno piše kao skalar. U vektorskoj slici, zakon će izgledati ovako:

.

Ali to ne znači da je sila obrnuto proporcionalna kubu udaljenosti između središta. Omjer treba shvatiti kao jedinični vektor usmjeren od jednog centra do drugog:

.

Zakon gravitacijske interakcije

Težina i gravitacija

Razmotrivši zakon gravitacije, može se shvatiti da nema ničeg iznenađujućeg u činjenici da mi osobno osjećamo da je privlačnost Sunca mnogo slabija od Zemljine. Masivno Sunce, iako ima veliku masu, vrlo je daleko od nas. je također daleko od Sunca, ali ga privlači, budući da jest velika masa. Kako pronaći privlačnu silu dva tijela, naime, kako izračunati gravitacijsku silu Sunca, Zemlje i tebe i mene - ovim ćemo se pitanjem pozabaviti malo kasnije.

Koliko znamo, sila gravitacije je:

gdje je m naša masa, a g ubrzanje slobodnog pada Zemlje (9,81 m/s 2).

Važno! Ne postoje dvije, tri, deset vrsta privlačnih sila. Gravitacija je jedina sila koja kvantificira privlačnost. Težina (P = mg) i gravitacijska sila su jedno te isto.

Ako je m naša masa, M je masa kugle, R je njen radijus, tada je gravitacijska sila koja djeluje na nas:

Dakle, budući da je F = mg:

.

Mase m se poništavaju, ostavljajući izraz za ubrzanje slobodnog pada:

Kao što vidite, ubrzanje slobodnog pada stvarno je konstantno, budući da njegova formula uključuje konstante - polumjer, masu Zemlje i gravitacijsku konstantu. Zamjenom vrijednosti ovih konstanti, osigurat ćemo da je ubrzanje slobodnog pada jednako 9,81 m / s 2.

Na različitim geografskim širinama, radijus planeta je nešto drugačiji, budući da Zemlja još uvijek nije savršena sfera. Zbog toga je ubrzanje slobodnog pada na različitim točkama zemaljske kugle različito.

Vratimo se na privlačnost Zemlje i Sunca. Pokušajmo na primjeru dokazati da nas zemaljska kugla privlači jače od Sunca.

Radi praktičnosti, uzmimo masu osobe: m = 100 kg. Zatim:

• Udaljenost između osobe i globus jednak polumjeru planeta: R = 6.4∙10 6 m.
• Masa Zemlje je: M ≈ 6∙10 24 kg.
• Masa Sunca je: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
• Udaljenost našeg planeta od Sunca (između Sunca i čovjeka): r=15∙10 10 m.

Gravitacijsko privlačenje između čovjeka i Zemlje:

Ovaj je rezultat prilično očit iz jednostavnijeg izraza za težinu (P = mg).

Sila gravitacijske privlačnosti između čovjeka i Sunca:

Kao što vidite, naš planet nas privlači gotovo 2000 puta jače.

Kako pronaći privlačnu silu između Zemlje i Sunca? Na sljedeći način:

Sada vidimo da Sunce vuče naš planet više od milijardu milijardi puta jače nego što planet vuče tebe i mene.

prva kozmička brzina

Nakon što je Isaac Newton otkrio zakon univerzalne gravitacije, zainteresirao se koliko brzo treba baciti tijelo da ono, nakon što je prevladalo gravitacijsko polje, zauvijek napusti zemaljsku kuglu.

Istina, on je to zamišljao malo drugačije, po njegovom razumijevanju to nije bila okomito stojeća raketa usmjerena u nebo, već tijelo koje vodoravno skače s vrha planine. Bila je to logična ilustracija, budući da na vrhu planine, sila gravitacije je nešto manja.

Dakle, na vrhu Everesta, ubrzanje gravitacije neće biti uobičajenih 9,8 m / s 2, već gotovo m / s 2. Upravo iz tog razloga tamo su tako razrijeđene čestice zraka više nisu toliko vezane za gravitaciju kao one koje su "pale" na površinu.

Pokušajmo saznati što je kozmička brzina.

Prva kozmička brzina v1 je brzina kojom tijelo napušta površinu Zemlje (ili drugog planeta) i ulazi u kružnu orbitu.

Pokušajmo saznati brojčanu vrijednost ove količine za naš planet.

Napišimo drugi Newtonov zakon za tijelo koje se okreće oko planeta u kružnoj orbiti:

,

gdje je h visina tijela iznad površine, R je polumjer Zemlje.

U orbiti centrifugalna akceleracija djeluje na tijelo, dakle:

.

Mase se smanjuju, dobivamo:

,

Ova brzina se naziva prva kozmička brzina:

Kao što vidite, svemirska brzina je apsolutno neovisna o masi tijela. Dakle, bilo koji objekt ubrzan do brzine od 7,9 km / s napustit će naš planet i ući u njegovu orbitu.

prva kozmička brzina

Druga svemirska brzina

Međutim, čak i nakon ubrzanja tijela do prve svemirska brzina, nećemo uspjeti potpuno prekinuti njegovu gravitacijsku vezu sa Zemljom. Za to je potrebna druga kozmička brzina. Pri postizanju ove brzine tijelo napušta gravitacijsko polje planeta i sve moguće zatvorene orbite.

Važno! Zabunom se često vjeruje da su astronauti da bi došli do Mjeseca morali postići drugu kozmičku brzinu, jer su se prvo morali "odspojiti" od gravitacijskog polja planeta. To nije tako: par Zemlja-Mjesec nalazi se u Zemljinom gravitacijskom polju. Njihovo zajedničko težište je unutar globusa.

Da bismo pronašli tu brzinu, problem smo postavili malo drugačije. Pretpostavimo da tijelo leti od beskonačnosti do planeta. Pitanje: koja će se brzina postići na površini nakon slijetanja (naravno, ne uzimajući u obzir atmosferu)? To je ova brzina i bit će potrebno da tijelo napusti planet.

Zakon univerzalne gravitacije. Fizika 9. razred

Zakon univerzalne gravitacije.

Zaključak

Saznali smo da iako je gravitacija glavna sila u svemiru, mnogi razlozi za ovaj fenomen još uvijek su misterij. Naučili smo što je Newtonova univerzalna gravitacijska sila, naučili je izračunati za različita tijela, a također smo proučavali neke korisne posljedice koje proizlaze iz takve pojave kao što je univerzalni zakon gravitacije.

Svaka se osoba u životu više puta susrela s ovim konceptom, jer je gravitacija temelj ne samo moderne fizike, već i niza drugih srodnih znanosti.

Mnogi znanstvenici proučavaju privlačenje tijela od davnina, ali glavno otkriće pripisuje se Newtonu i opisuje se kao svima poznata priča s voćkom koja mu je pala na glavu.

Što je gravitacija jednostavnim riječima

Gravitacija je privlačnost između nekoliko objekata u cijelom svemiru. Priroda fenomena je drugačija, jer je određena masom svakog od njih i duljinom između, odnosno udaljenosti.

Newtonova teorija temeljila se na činjenici da i na voće koje pada i na satelit našeg planeta djeluje ista sila – privlačnost prema Zemlji. A satelit nije pao na zemaljski prostor upravo zbog svoje mase i udaljenosti.

Gravitacijsko polje

Gravitacijsko polje je prostor unutar kojeg tijela međusobno djeluju prema zakonima privlačenja.

Einsteinova teorija relativnosti opisuje polje kao određeno svojstvo vremena i prostora, koje se karakteristično manifestira pojavom fizičkih objekata.

gravitacijski val

To je određena vrsta promjene u poljima koja nastaju kao rezultat zračenja pokretnih objekata. Oni se odvajaju od subjekta i šire u učinku vala.

Teorije gravitacije

Klasična teorija je Newtonova. Međutim, nije bilo savršeno i naknadno su se pojavile alternativne opcije.

To uključuje:

• metričke teorije;
• nemetrički;
• vektor;
• Le Sage, koji je prvi opisao faze;
• kvantna gravitacija.

Danas postoji nekoliko desetaka različitih teorija koje se ili nadopunjuju ili fenomene promatraju s druge strane.

Ne vrijedi ništa: još ne postoji savršeno rješenje, ali razvoj koji je u tijeku otvara nove odgovore u vezi s privlačnošću tijela.

Sila gravitacijske privlačnosti

Osnovni izračun je sljedeći - sila gravitacije proporcionalna je umnošku mase tijela s drugom, između kojih se određuje. Ova se formula također izražava na sljedeći način: sila je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između tijela.

Gravitacijsko polje je potencijalno, što znači da je kinetička energija očuvana. Ova činjenica pojednostavljuje rješavanje problema u kojima se mjeri sila privlačenja.

Gravitacija u svemiru

Unatoč zabludi mnogih, u svemiru postoji gravitacija. Niži je nego na Zemlji, ali još uvijek prisutan.

Što se tiče astronauta, koji na prvi pogled lete, oni su zapravo u stanju sporog pada. Vizualno se čini da ih ništa ne privlači, ali u praksi doživljavaju gravitaciju.

Snaga privlačnosti ovisi o udaljenosti, ali bez obzira kolika je udaljenost između predmeta, oni će i dalje posezati jedan za drugim. Uzajamna privlačnost nikada neće biti jednaka nuli.

Gravitacija u Sunčevom sustavu

NA Sunčev sustav Nema samo Zemlja gravitaciju. Planeti, kao i Sunce, privlače objekte prema sebi.

Budući da je sila određena masom tijela, Sunce ima najveću vrijednost. Na primjer, ako naš planet ima indikator jednak jedan, tada će indikator svjetiljke biti gotovo dvadeset osam.

Sljedeći, nakon Sunca, po gravitaciji je Jupiter, pa je njegova sila privlačenja tri puta veća od Zemljine. Pluton ima najmanji parametar.

Radi jasnoće, označimo to ovako, u teoriji, na Suncu bi prosječna osoba težila oko dvije tone, ali na najmanjem planetu u našem sustavu - samo četiri kilograma.

Što određuje gravitaciju planeta

Gravitacijska sila, kao što je već spomenuto, je snaga kojom planet vuče objekte koji se nalaze na njegovoj površini prema sebi.

Sila privlačenja ovisi o gravitaciji objekta, samog planeta i udaljenosti između njih. Ako ima mnogo kilometara, gravitacija je niska, ali još uvijek drži objekte povezanima.

Nekoliko važnih i fascinantnih aspekata vezanih uz gravitaciju i njezina svojstva koje vrijedi objasniti djetetu:

1. Fenomen sve privlači, ali nikad ne odbija - to ga razlikuje od ostalih fizičkih fenomena.
2. Ne postoji indikator nule. Nemoguće je simulirati situaciju u kojoj ne djeluje pritisak, odnosno gravitacija ne djeluje.
3. Zemlja pada s Prosječna brzina 11,2 kilometara u sekundi, dostižući ovu brzinu, možete napustiti privlačni bunar planeta.
4. Činjenica postojanja gravitacijskih valova nije znanstveno dokazana, ovo je samo nagađanje. Ako ikad postanu vidljivi, tada će se čovječanstvu otkriti mnoge misterije kozmosa povezane s međudjelovanjem tijela.

Prema teoriji bazične relativnosti znanstvenika poput Einsteina, gravitacija je zakrivljenost osnovnih parametara postojanja materijalnog svijeta koji je osnova svemira.

Gravitacija je međusobno privlačenje dvaju tijela. Sila međudjelovanja ovisi o gravitaciji tijela i udaljenosti između njih. Do sada nisu otkrivene sve tajne fenomena, ali danas postoji nekoliko desetaka teorija koje opisuju koncept i njegova svojstva.

Složenost proučavanih objekata utječe na vrijeme istraživanja. U većini slučajeva jednostavno se uzima ovisnost mase i udaljenosti.