Din cele mai vechi timpuri, omenirea s-a gândit cum lumea. De ce crește iarba, de ce strălucește Soarele, de ce nu putem zbura... Acesta din urmă, de altfel, a fost întotdeauna de interes deosebit pentru oameni. Acum știm că motivul pentru orice este gravitația. Ce este și de ce acest fenomen este atât de important la scara Universului, vom lua în considerare astăzi.

Introducere

Oamenii de știință au descoperit că toate corpurile masive experimentează atracție reciprocă unul față de celălalt. Ulterior, s-a dovedit că această forță misterioasă determină și mișcarea corpuri cerești pe orbitele lor constante. Aceeași teorie a gravitației a fost formulată de un geniu ale cărui ipoteze au predeterminat dezvoltarea fizicii pentru multe secole viitoare. Dezvoltată și continuată (deși într-o direcție complet diferită) această învățătură a fost Albert Einstein - una dintre cele mai mari minți ale secolului trecut.

Timp de secole, oamenii de știință au observat gravitația, încercând să o înțeleagă și să o măsoare. În sfârșit, în ultimele decenii, chiar și un astfel de fenomen precum gravitația a fost pus în slujba omenirii (într-un anumit sens, desigur). Ce este, care este definiția termenului în cauză în știința modernă?

definiție științifică

Dacă studiezi lucrările gânditorilor antici, poți afla că cuvântul latin „gravitas” înseamnă „gravitație”, „atracție”. Astăzi, oamenii de știință numesc așa interacțiunea universală și constantă dintre corpurile materiale. Dacă această forță este relativ slabă și acționează numai asupra obiectelor care se mișcă mult mai încet, atunci teoria lui Newton este aplicabilă acestora. Dacă este cazul invers, ar trebui folosite concluziile lui Einstein.

Să facem imediat o rezervă: în prezent, însăși natura gravitației în sine nu a fost studiată pe deplin în principiu. Ce este, încă nu înțelegem pe deplin.

Teoriile lui Newton și Einstein

Conform învățăturii clasice a lui Isaac Newton, toate corpurile sunt atrase unele de altele cu o forță direct proporțională cu masa lor, invers proporțională cu pătratul distanței care se află între ele. Einstein, pe de altă parte, a susținut că gravitația dintre obiecte se manifestă în cazul curburii spațiului și timpului (și curbura spațiului este posibilă numai dacă există materie în ea).

Acest gând a fost foarte profund, dar cercetarea modernă dovedesc o oarecare inexactitate. Astăzi se crede că gravitația în spațiu doar îndoaie spațiul: timpul poate fi încetinit și chiar oprit, dar realitatea schimbării formei materiei temporare nu a fost confirmată teoretic. Prin urmare, ecuația clasică Einstein nici măcar nu oferă șansa ca spațiul să continue să influențeze materia și câmpul magnetic emergent.

Într-o măsură mai mare, este cunoscută legea gravitației (gravitația universală), a cărei expresie matematică îi aparține tocmai lui Newton:

\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]

Sub γ se înțelege constanta gravitațională (uneori se folosește simbolul G), a cărei valoare este 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).

Interacțiunea dintre particulele elementare

Complexitatea incredibilă a spațiului din jurul nostru se datorează în mare măsură numărului infinit de particule elementare. Între ei există și diverse interacțiuni la niveluri la care putem doar ghici. Cu toate acestea, toate tipurile de interacțiuni ale particulelor elementare între ele diferă semnificativ în ceea ce privește puterea lor.

Cea mai puternică dintre toate forțele cunoscute de noi leagă componentele împreună nucleul atomic. Pentru a le separa, trebuie să cheltuiți o cantitate cu adevărat colosală de energie. În ceea ce privește electronii, ei sunt „atașați” la nucleu doar de către cei obișnuiți. Pentru a o opri, uneori energia care apare ca urmare a celor mai obișnuite reactie chimica. Gravitația (ce este, știți deja) în varianta atomilor și particulelor subatomice este cel mai ușor tip de interacțiune.

Câmpul gravitațional în acest caz este atât de slab încât este greu de imaginat. Destul de ciudat, dar ei sunt cei care „urmăresc” mișcarea corpurilor cerești, a căror masă este uneori imposibil de imaginat. Toate acestea sunt posibile datorită a două caracteristici ale gravitației, care sunt deosebit de pronunțate în cazul corpurilor fizice mari:

• Spre deosebire de cele atomice, este mai vizibilă la distanță de obiect. Deci, gravitația Pământului menține chiar și Luna în câmpul său, iar forța similară a lui Jupiter susține cu ușurință orbitele mai multor sateliți simultan, masa fiecăruia fiind destul de comparabilă cu cea a Pământului!
• În plus, asigură întotdeauna atracție între obiecte, iar odată cu distanța această forță slăbește la o viteză mică.

Formarea unei teorii mai mult sau mai puțin coerente a gravitației a avut loc relativ recent și tocmai pe baza rezultatelor observațiilor de secole ale mișcării planetelor și a altor corpuri cerești. Sarcina a fost mult facilitată de faptul că toate se mișcă în vid, unde pur și simplu nu există alte interacțiuni posibile. Galileo și Kepler, doi astronomi remarcabili ai vremii, au ajutat la deschiderea drumului pentru noi descoperiri cu cele mai valoroase observații ale lor.

Doar daca marele Isaac Newton a reușit să creeze prima teorie a gravitației și să o exprime într-o reprezentare matematică. Aceasta a fost prima lege a gravitației, a cărei reprezentare matematică este prezentată mai sus.

Concluziile lui Newton și a unora dintre predecesorii săi

Spre deosebire de alte fenomene fizice care există în lumea din jurul nostru, gravitația se manifestă mereu și peste tot. Trebuie să înțelegeți că termenul „gravitație zero”, care se găsește adesea în cercurile aproape științifice, este extrem de incorect: chiar și imponderabilitate în spațiu nu înseamnă că o persoană sau nava spatiala atracția unui obiect masiv nu funcționează.

În plus, toate corpurile materiale au o anumită masă, exprimată sub forma unei forțe care le-a fost aplicată și o accelerație obținută datorită acestui impact.

Astfel, forțele gravitaționale sunt proporționale cu masa obiectelor. Numeric, ele pot fi exprimate prin obținerea produsului dintre masele ambelor corpuri considerate. Această forță se supune strict dependenței inverse de pătratul distanței dintre obiecte. Toate celelalte interacțiuni depind destul de diferit de distanțele dintre două corpuri.

Masa ca piatră de temelie a teoriei

Masa de obiecte a devenit un punct controversat special în jurul căruia întregul teoria modernă Gravitația și relativitatea lui Einstein. Dacă vă amintiți a doua, atunci probabil știți că masa este o caracteristică obligatorie a oricărui fizic corp material. Arată cum se va comporta un obiect dacă i se aplică forță, indiferent de originea acestuia.

Deoarece toate corpurile (după Newton) accelerează atunci când o forță externă acționează asupra lor, masa este cea care determină cât de mare va fi această accelerație. Să ne uităm la un exemplu mai clar. Imaginați-vă un scuter și un autobuz: dacă le aplicați exact aceeași forță, vor atinge viteze diferite în timpi diferiți. Toate acestea sunt explicate de teoria gravitației.

Care este relația dintre masă și atracție?

Dacă vorbim despre gravitație, atunci masa în acest fenomen joacă un rol complet opus celui pe care îl joacă în raport cu forța și accelerația unui obiect. Ea este cea care este sursa principală de atracție în sine. Dacă luați două corpuri și vedeți cu ce forță atrag un al treilea obiect, care este situat la distanțe egale față de primele două, atunci raportul tuturor forțelor va fi egal cu raportul maselor primelor două obiecte. Astfel, forța de atracție este direct proporțională cu masa corpului.

Dacă luăm în considerare a treia lege a lui Newton, putem vedea că el spune exact același lucru. Forța gravitației, care acționează asupra a două corpuri situate la distanță egală de sursa de atracție, depinde direct de masa acestor obiecte. În viața de zi cu zi, vorbim despre forța cu care un corp este atras de suprafața planetei ca greutate.

Să rezumam câteva rezultate. Deci, masa este strâns legată de accelerație. În același timp, ea este cea care determină forța cu care gravitația va acționa asupra corpului.

Caracteristici ale accelerației corpurilor într-un câmp gravitațional

Această dualitate uimitoare este motivul pentru care, în același câmp gravitațional, accelerația unor obiecte complet diferite va fi egală. Să presupunem că avem două corpuri. Să atribuim o masă z unuia dintre ele și celuilalt Z. Ambele obiecte sunt aruncate la pământ, unde cad liber.

Cum se determină raportul forțelor de atracție? Se arată prin cele mai simple formula matematica-Z Z. Aceasta este doar accelerația pe care o primesc ca urmare a forței gravitaționale, va fi exact aceeași. Mai simplu spus, accelerația pe care o are un corp într-un câmp gravitațional nu depinde în niciun fel de proprietățile sale.

De ce depinde accelerația în cazul descris?

Depinde doar (!) de masa obiectelor care creează acest câmp, precum și de poziția lor spațială. Rolul dublu al masei și accelerația egală a diferitelor corpuri într-un câmp gravitațional au fost descoperite de o perioadă relativ lungă de timp. Aceste fenomene au primit următoarea denumire: „Principiul echivalenței”. Acest termen subliniază încă o dată că accelerația și inerția sunt adesea echivalente (într-o anumită măsură, desigur).

Despre importanța lui G

De la cursul școlar de fizică, ne amintim că accelerația căderii libere pe suprafața planetei noastre (gravitația Pământului) este de 10 m/s² (9,8 desigur, dar această valoare este folosită pentru ușurința calculului). Astfel, dacă nu se ia în considerare rezistența aerului (la o înălțime semnificativă cu o distanță mică de cădere), atunci efectul va fi obținut atunci când corpul dobândește un increment de accelerație de 10 m/s. fiecare secunda. Astfel, o carte căzută de la etajul doi al unei case se va deplasa cu o viteză de 30-40 m/sec până la sfârșitul zborului. Mai simplu spus, 10 m/s este „viteza” gravitației în interiorul Pământului.

Accelerația datorată gravitației în literatura fizică este notă cu litera „g”. Întrucât forma Pământului este într-o anumită măsură mai mult ca o mandarină decât o sferă, valoarea acestei cantități este departe de a fi aceeași în toate regiunile sale. Deci, la poli, accelerația este mai mare, iar la vârfuri munti inalti devine mai mic.

Chiar și în industria minieră, gravitația joacă un rol important. Fizica acestui fenomen economisește uneori mult timp. Astfel, geologii sunt interesați în special de determinarea ideală a lui g, deoarece aceasta permite explorarea și găsirea zăcămintelor minerale cu o acuratețe excepțională. Apropo, cum arată formula gravitațională, în care valoarea pe care am considerat-o joacă un rol important? Acolo e:

Notă! În acest caz, formula gravitațională înseamnă prin G „constanta gravitațională”, a cărei valoare am dat-o deja mai sus.

La un moment dat, Newton a formulat principiile de mai sus. El înțelegea perfect atât unitatea, cât și universalitatea, dar nu putea descrie toate aspectele acestui fenomen. Această onoare i-a revenit lui Albert Einstein, care a putut explica și principiul echivalenței. Lui îi datorează omenirea o înțelegere modernă a naturii însăși a continuumului spațiu-timp.

Teoria relativității, lucrările lui Albert Einstein

Pe vremea lui Isaac Newton, se credea că punctele de referință pot fi reprezentate ca un fel de „tije” rigide, cu ajutorul cărora se stabilește poziția corpului în sistemul de coordonate spațiale. În același timp, s-a presupus că toți observatorii care marchează aceste coordonate ar fi într-un singur spațiu temporal. În acei ani, această prevedere era considerată atât de evidentă încât nu s-a încercat să o conteste sau să o completeze. Și acest lucru este de înțeles, deoarece în interiorul planetei noastre nu există abateri în această regulă.

Einstein a dovedit că acuratețea măsurătorii ar fi cu adevărat semnificativă dacă ceasul ipotetic s-ar mișca mult mai lent decât viteza luminii. Pur și simplu, dacă un observator, care se mișcă mai lent decât viteza luminii, urmărește două evenimente, atunci ele se vor întâmpla pentru el în același timp. În consecință, pentru al doilea observator? a căror viteză este aceeași sau mai mare, evenimentele pot avea loc în momente diferite.

Dar cum este forța gravitației legată de teoria relativității? Să explorăm această problemă în detaliu.

Relația dintre relativitate și forțele gravitaționale

LA anul trecut a făcut un număr imens de descoperiri în domeniul particulelor subatomice. Convingerea devine din ce în ce mai puternică că suntem pe cale să găsim particula finală, dincolo de care lumea noastră nu poate fi împărțită. Cu atât mai insistentă este nevoia de a afla exact cum cele mai mici „cărămizi” din universul nostru sunt afectate de acele forțe fundamentale care au fost descoperite în secolul trecut, sau chiar mai devreme. Este deosebit de dezamăgitor faptul că însăși natura gravitației nu a fost încă explicată.

De aceea, după Einstein, care a stabilit „incapacitatea” mecanica clasica Newton în zona luată în considerare, cercetătorii s-au concentrat pe o regândire completă a datelor obținute mai devreme. În multe privințe, gravitația însăși a suferit o revizuire. Ce este la nivelul particulelor subatomice? Are vreun sens în această lume multidimensională uimitoare?

O soluție simplă?

La început, mulți au presupus că discrepanța dintre gravitația lui Newton și teoria relativității poate fi explicată destul de simplu prin trasarea analogiilor din domeniul electrodinamicii. S-ar putea presupune că câmpul gravitațional se propagă ca unul magnetic, după care poate fi declarat „mediator” în interacțiunile corpurilor cerești, explicând multe neconcordanțe între vechiul și noua teorie. Faptul este că atunci vitezele relative de propagare a forțelor luate în considerare ar fi mult mai mici decât viteza luminii. Deci, cum sunt legate gravitația și timpul?

În principiu, Einstein însuși aproape că a reușit să construiască o teorie relativistă bazată doar pe astfel de opinii, doar o circumstanță i-a împiedicat intenția. Niciunul dintre oamenii de știință din acea vreme nu avea deloc informații care să poată ajuta la determinarea „vitezei” gravitației. Dar existau o mulțime de informații legate de mișcările maselor mari. După cum se știe, au fost doar sursa general recunoscută a câmpurilor gravitaționale puternice.

Vitezele mari afectează puternic masele corpurilor, iar aceasta nu seamănă deloc cu interacțiunea vitezei și a încărcăturii. Cu cât viteza este mai mare, cu atât masa corpului este mai mare. Problema este că ultima valoare ar deveni automat infinită în cazul mișcării cu viteza luminii sau mai mare. Prin urmare, Einstein a concluzionat că nu există un câmp gravitațional, ci un câmp tensor, pentru descrierea căruia ar trebui folosite mult mai multe variabile.

Adepții săi au ajuns la concluzia că gravitația și timpul sunt practic fără legătură. Cert este că acest câmp tensor în sine poate acționa asupra spațiului, dar nu este capabil să influențeze timpul. Cu toate acestea, genialul fizician modern Stephen Hawking are un alt punct de vedere. Dar asta e cu totul alta poveste...

În natură, există diverse forțe care caracterizează interacțiunea corpurilor. Luați în considerare acele forțe care apar în mecanică.

forte gravitationale. Probabil, prima forță, a cărei existență a fost realizată de o persoană, a fost forța de atracție care acționează asupra corpurilor din partea Pământului.

Și au fost nevoie de multe secole pentru ca oamenii să înțeleagă că forța gravitației acționează între orice corp. Și au fost nevoie de multe secole pentru ca oamenii să înțeleagă că forța gravitației acționează între orice corp. Fizicianul englez Newton a fost primul care a înțeles acest fapt. Analizând legile care guvernează mișcarea planetelor (legile lui Kepler), a ajuns la concluzia că legile observate ale mișcării planetare pot fi îndeplinite numai dacă între ele există o forță de atracție, care este direct proporțională cu masele lor și invers proporțională. la pătratul distanței dintre ele.

Newton a formulat Legea gravitației. Oricare două corpuri sunt atrase unul de celălalt. Forța de atracție dintre corpurile punctuale este direcționată de-a lungul liniei drepte care le leagă, este direct proporțională cu masele ambelor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele:

În acest caz, corpurile punctuale sunt înțelese ca fiind corpuri ale căror dimensiuni sunt de multe ori mai mici decât distanța dintre ele.

Forțele gravitaționale se numesc forțe gravitaționale. Coeficientul de proporționalitate G se numește constantă gravitațională. Valoarea sa a fost determinată experimental: G = 6,7 10¯¹¹ N m²/kg².

gravitatie care acționează în apropierea suprafeței Pământului, este îndreptată spre centrul acestuia și se calculează prin formula:

unde g este accelerația de cădere liberă (g = 9,8 m/s²).

Rolul gravitației în natura vie este foarte semnificativ, deoarece dimensiunea, forma și proporțiile ființelor vii depind în mare măsură de amploarea acesteia.

Greutate corporala. Luați în considerare ce se întâmplă atunci când o sarcină este plasată pe un plan orizontal (suport). În primul moment după ce sarcina este coborâtă, aceasta începe să se miște în jos sub acțiunea gravitației (Fig. 8).

Planul se îndoaie și există o forță elastică (reacția suportului), îndreptată în sus. După ce forța elastică (Fy) echilibrează forța gravitațională, coborârea corpului și deformarea suportului se vor opri.

Deformarea suportului a apărut sub acțiunea corpului, prin urmare, o anumită forță (P) acționează asupra suportului din partea laterală a corpului, care se numește greutatea corpului (Fig. 8, b). Conform celei de-a treia legi a lui Newton, greutatea unui corp este egală ca mărime cu forța de reacție a suportului și este îndreptată în direcția opusă.

P \u003d - Fu \u003d F grea.

greutate corporala numită forța P, cu care corpul acționează pe un suport orizontal care este staționar față de acesta.

Deoarece gravitația (greutatea) este aplicată pe suport, acesta se deformează și, datorită elasticității, contracarează forța gravitației. Forțele dezvoltate în acest caz din partea suportului se numesc forțe de reacție a suportului, iar însuși fenomenul dezvoltării contraacțiunii se numește reacția suportului. Conform celei de-a treia legi a lui Newton, forța de reacție a suportului este egală ca mărime cu forța de gravitație a corpului și opusă acesteia ca direcție.

Dacă o persoană pe un suport se mișcă cu accelerația legăturilor corpului său îndreptate departe de suport, atunci forța de reacție a suportului crește cu valoarea ma, unde m este masa persoanei și sunt accelerațiile cu care legăturile corpului lui se mişcă. Aceste efecte dinamice pot fi înregistrate cu ajutorul dispozitivelor de extensometru (dinamograme).

Greutatea nu trebuie confundată cu masa corporală. Masa unui corp își caracterizează proprietățile inerțiale și nu depinde nici de forța gravitațională, nici de accelerația cu care se mișcă.

Greutatea corpului caracterizează forța cu care acționează asupra suportului și depinde atât de forța gravitațională, cât și de accelerația mișcării.

De exemplu, pe Lună, greutatea unui corp este de aproximativ 6 ori mai mică decât greutatea unui corp de pe Pământ.Masa este aceeași în ambele cazuri și este determinată de cantitatea de materie din corp.

În viața de zi cu zi, tehnologie, sport, greutatea este adesea indicată nu în newtoni (N), ci în kilograme de forță (kgf). Trecerea de la o unitate la alta se realizează după formula: 1 kgf = 9,8 N.

Când suportul și corpul sunt nemișcate, atunci masa corpului este egală cu forța de gravitație a acestui corp. Când suportul și corpul se mișcă cu o oarecare accelerație, atunci, în funcție de direcția sa, corpul poate experimenta fie imponderabilitate, fie suprasolicitare. Când accelerația este în aceeași direcție și egală cu accelerația datorată gravitației, greutatea corpului va fi zero, deci există o stare de imponderabilitate (ISS, lift de mare viteză la coborâre). Când accelerația mișcării suportului este opusă accelerației căderii libere, persoana experimentează o suprasarcină (pornire de la suprafața Pământului a unei nave spațiale cu echipaj, un lift de mare viteză care urcă).

Mai întâi, imaginați-vă Pământul ca pe o minge nemișcată (Fig. 3.1, a). Forța gravitațională F dintre Pământ (masa M) și un obiect (masa m) este determinată de formula: F=Gmm/r2

unde r este raza Pământului. Constanta G este cunoscută ca constantă gravitațională universală si extrem de mic. Când r este constant, forța F este const. m. Atracția unui corp de masă m de către Pământ determină greutatea acestui corp: W = mg compararea ecuațiilor dă: g = const = GM/r 2 .

Atracția unui corp de masă m de către Pământ îl face să cadă „în jos” cu o accelerație g, care este constantă în toate punctele A, B, C și peste tot. suprafața pământului(Fig. 3.1.6).

Diagrama forței corpului liber arată, de asemenea, că există o forță care acționează asupra Pământului din partea unui corp de masă m, care este îndreptată opus forței care acționează asupra corpului de pe Pământ. Cu toate acestea, masa M a Pământului este atât de mare încât accelerația „în sus” a „a Pământului, calculată prin formula F \u003d Ma”, este nesemnificativă și poate fi neglijată. Pământul are o altă formă decât sferică: raza la polul r p este mai mică decât raza la ecuator r e. Aceasta înseamnă că forța de atracție a unui corp cu masa m la polul F p \u003d GMm / r 2 p este mai mare decât la ecuator F e = GMm/r e . Prin urmare, accelerația căderii libere g p la pol este mai mare decât accelerația căderii libere g e la ecuator. Accelerația g se modifică cu latitudinea în funcție de modificarea razei Pământului.



După cum știți, Pământul este în continuă mișcare. Se rotește în jurul axei sale, făcând o revoluție în fiecare zi și se mișcă pe orbită în jurul Soarelui cu o revoluție de un an. Luând pentru simplitate Pământul ca o minge omogenă, să considerăm mișcarea corpurilor de masă m pe polul A și pe ecuatorul C (Fig. 3.2). Într-o zi, corpul din punctul A se rotește la 360 °, rămânând pe loc, în timp ce corpul situat în punctul C acoperă o distanță de 2lg. Pentru ca corpul situat în punctul C să se miște pe o orbită circulară, este nevoie de un fel de forță. Aceasta este o forță centripetă, care este determinată de formula mv 2 /r, unde v este viteza corpului pe orbită. Forța de atracție gravitațională care acționează asupra unui corp situat în punctul C, F = GMm/r trebuie:

a) asigura miscarea corpului in cerc;

b) atrage corpul spre Pământ.

Astfel, F = (mv 2 /r) + mg la ecuator și F = mg la pol. Aceasta înseamnă că g se schimbă cu latitudinea pe măsură ce raza orbitei se schimbă de la r la C la zero la A.

Este interesant de imaginat ce s-ar întâmpla dacă viteza de rotație a Pământului ar crește atât de mult încât forța centripetă care acționează asupra corpului la ecuator ar deveni egală cu forța de atracție, adică mv 2 / r = F = GMm / r 2 . Forța gravitațională totală ar fi folosită numai pentru a menține corpul în punctul C pe o orbită circulară și nu ar mai rămâne nicio forță care să acționeze pe suprafața Pământului. Orice creștere suplimentară a vitezei de rotație a Pământului ar permite corpului să „pluteze” în spațiu. În același timp, dacă o navă spațială cu astronauți la bord este lansată la o înălțime R deasupra centrului Pământului cu o viteză v, astfel încât egalitatea mv*/R=F = GMm/R 2 să fie îndeplinită, atunci această navă spațială. se va roti în jurul Pământului în condiţii de imponderabilitate.

Măsurătorile precise ale accelerației de cădere liberă g arată că g variază în funcție de latitudine, așa cum se arată în tabelul 3.1. De aici rezultă că greutatea unui anumit corp se modifică pe suprafața Pământului de la un maxim la o latitudine de 90 ° la un minim la o latitudine de 0 °.



La acest nivel de antrenament, micile modificări ale accelerației g sunt de obicei neglijate și se folosește o valoare medie de 9,81 m-s 2. Pentru a simplifica calculele, accelerația g este adesea considerată cel mai apropiat număr întreg, adică 10 ms - 2, și, astfel, forța de atracție care acționează de la Pământ asupra unui corp cu masa de 1 kg, adică greutate, luată ca 10 N. Cele mai multe comisiile de examinare pentru examinați își propune să se folosească, pentru simplificarea calculelor, g = 10 m-s - 2 sau 10 N-kg -1".

Cel mai important fenomen studiat constant de fizicieni este mișcarea. Fenomene electromagnetice, legile mecanicii, procese termodinamice și cuantice - toate acestea reprezintă o gamă largă de fragmente din univers studiate de fizică. Și toate aceste procese se reduc, într-un fel sau altul, la un singur lucru - la.

In contact cu

Totul în univers se mișcă. Gravitația este un fenomen familiar pentru toți oamenii încă din copilărie, ne-am născut în câmpul gravitațional al planetei noastre, aceasta fenomen fizic este perceput de noi la cel mai profund nivel intuitiv și, s-ar părea, nici măcar nu necesită studiu.

Dar, din păcate, întrebarea este de ce și Cum se atrag toate corpurile unele pe altele?, rămâne până în prezent nedezvăluită pe deplin, deși a fost studiat în sus și în jos.

În acest articol, vom lua în considerare care este atracția universală a lui Newton - teoria clasică a gravitației. Cu toate acestea, înainte de a trece la formule și exemple, să vorbim despre esența problemei atracției și să îi dăm o definiție.

Poate că studiul gravitației a fost începutul filosofiei naturale (știința înțelegerii esenței lucrurilor), poate că filosofia naturală a dat naștere la întrebarea esenței gravitației, dar, într-un fel sau altul, problema gravitației corpurilor. interesat de Grecia antică.

Mișcarea a fost înțeleasă ca esența caracteristicilor senzuale ale corpului sau, mai degrabă, corpul mișcat în timp ce observatorul îl vede. Dacă nu putem măsura, cântări, simți un fenomen, înseamnă asta că acest fenomen nu există? Desigur, nu. Și de când Aristotel a înțeles acest lucru, au început reflecțiile asupra esenței gravitației.

După cum s-a dovedit astăzi, după multe zeci de secole, gravitația este baza nu numai a atracției Pământului și a atracției planetei noastre către, ci și baza originii Universului și a aproape toate particulele elementare existente.

Sarcina de mișcare

Să cheltuim experiment de gândire. Să luăm înăuntru mâna stângă minge mică. Să o luăm pe aceeași pe dreapta. Să eliberăm mingea potrivită și va începe să cadă. Cel stâng rămâne în mână, este încă nemișcat.

Să oprim mental trecerea timpului. Mingea dreaptă care cade „atârnă” în aer, cea stângă rămâne încă în mână. Mingea dreaptă este înzestrată cu „energia” mișcării, cea stângă nu. Dar care este diferența profundă și semnificativă dintre ele?

Unde, în ce parte a mingii care căde este scris că trebuie să se miște? Are aceeași masă, același volum. Are aceiași atomi și nu diferă cu nimic de atomii unei mingi în repaus. Minge are? Da, acesta este răspunsul corect, dar de unde știe mingea că are energie potențială, unde este înregistrată în ea?

Aceasta este sarcina stabilită de Aristotel, Newton și Albert Einstein. Și toți cei trei gânditori geniali au rezolvat parțial această problemă pentru ei înșiși, dar astăzi există o serie de probleme care trebuie rezolvate.

gravitația newtoniană

În 1666 cel mai mare fizician englez iar mecanicul I. Newton a descoperit o lege capabilă să calculeze cantitativ forța datorită căreia toată materia din univers tinde între ele. Acest fenomen se numește gravitație universală. La întrebarea: „Formulează legea gravitației universale”, răspunsul tău ar trebui să sune astfel:

Forța de interacțiune gravitațională, care contribuie la atracția a două corpuri, este direct proporţional cu masele acestor corpuriși invers proporțional cu distanța dintre ele.

Important! Legea atracției lui Newton folosește termenul „distanță”. Acest termen ar trebui înțeles nu ca distanța dintre suprafețele corpurilor, ci ca distanța dintre centrele lor de greutate. De exemplu, dacă două bile cu razele r1 și r2 se află una peste alta, atunci distanța dintre suprafețele lor este zero, dar există o forță atractivă. Ideea este că distanța dintre centrele lor r1+r2 este diferită de zero. La scară cosmică, această clarificare nu este importantă, dar pentru un satelit aflat pe orbită, această distanță este egală cu înălțimea deasupra suprafeței plus raza planetei noastre. Distanța dintre Pământ și Lună este măsurată și ca distanța dintre centrele lor, nu suprafețele lor.

Pentru legea gravitației, formula este următoarea:

,

• F este forța de atracție,
• - mase,
• r - distanta,
• G este constanta gravitațională, egală cu 6,67 10−11 m³ / (kg s²).

Ce este greutatea, dacă tocmai am luat în considerare forța de atracție?

Forța este o mărime vectorială, dar în legea gravitației universale este scrisă în mod tradițional ca scalar. Într-o imagine vectorială, legea va arăta astfel:

.

Dar asta nu înseamnă că forța este invers proporțională cu cubul distanței dintre centre. Raportul trebuie înțeles ca un vector unitar direcționat de la un centru la altul:

.

Legea interacțiunii gravitaționale

Greutate și gravitate

Luând în considerare legea gravitației, se poate înțelege că nu este nimic surprinzător în faptul că noi personal simțim că atracția soarelui este mult mai slabă decât cea a pământului. Soarele masiv, deși are o masă mare, este foarte departe de noi. este, de asemenea, departe de Soare, dar este atras de acesta, deoarece are masa mare. Cum să găsești forța de atracție a două corpuri, și anume cum să calculăm forța gravitațională a Soarelui, a Pământului și a tu și a mea - ne vom ocupa de această problemă puțin mai târziu.

Din câte știm, forța gravitației este:

unde m este masa noastră și g este accelerația în cădere liberă a Pământului (9,81 m/s 2).

Important! Nu există două, trei, zece tipuri de forțe de atracție. Gravitația este singura forță care cuantifică atracția. Greutatea (P = mg) și forța gravitațională sunt una și aceeași.

Dacă m este masa noastră, M este masa globului, R este raza acestuia, atunci forța gravitațională care acționează asupra noastră este:

Astfel, deoarece F = mg:

.

Masele m se anulează, lăsând expresia pentru accelerația de cădere liberă:

După cum puteți vedea, accelerația în cădere liberă este într-adevăr constant, deoarece formula sa include constante - raza, masa Pământului și constanta gravitațională. Înlocuind valorile acestor constante, ne vom asigura că accelerația căderii libere este egală cu 9,81 m/s 2.

La diferite latitudini, raza planetei este oarecum diferită, deoarece Pământul nu este încă o sferă perfectă. Din această cauză, accelerația căderii libere în diferite puncte de pe glob este diferită.

Să revenim la atracția Pământului și a Soarelui. Să încercăm să demonstrăm prin exemplu că globul ne atrage mai puternic decât Soarele.

Pentru comoditate, să luăm masa unei persoane: m = 100 kg. Apoi:

• Distanța dintre o persoană și globul egală cu raza planetei: R = 6,4∙10 6 m.
• Masa Pământului este: M ≈ 6∙10 24 kg.
• Masa Soarelui este: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
• Distanța dintre planeta noastră și Soare (între Soare și om): r=15∙10 10 m.

Atracția gravitațională dintre om și Pământ:

Acest rezultat este destul de evident dintr-o expresie mai simplă a greutății (P = mg).

Forța de atracție gravitațională dintre om și Soare:

După cum puteți vedea, planeta noastră ne atrage de aproape 2000 de ori mai puternic.

Cum să găsiți forța de atracție dintre Pământ și Soare? În felul următor:

Acum vedem că Soarele trage planeta noastră de peste un miliard de miliarde de ori mai puternic decât ne trage planeta pe tine și pe mine.

prima viteză cosmică

După ce Isaac Newton a descoperit legea gravitației universale, a devenit interesat de cât de repede ar trebui să fie aruncat un corp, astfel încât, după ce a depășit câmpul gravitațional, a părăsit globul pentru totdeauna.

Adevărat, și-a imaginat-o puțin diferit, în înțelegerea lui nu era o rachetă verticală îndreptată spre cer, ci un corp care face un salt pe orizontală din vârful unui munte. A fost o ilustrare logică, pentru că în vârful muntelui, forța gravitațională este puțin mai mică.

Deci, în vârful Everestului, accelerația gravitației nu va fi obișnuită de 9,8 m/s 2, ci aproape m/s 2. Din acest motiv, există atât de rarefiat, încât particulele de aer nu mai sunt la fel de atașate gravitației ca cele care au „căzut” la suprafață.

Să încercăm să aflăm ce este viteza cosmică.

Prima viteză cosmică v1 este viteza cu care corpul părăsește suprafața Pământului (sau a unei alte planete) și intră pe o orbită circulară.

Să încercăm să aflăm valoarea numerică a acestei cantități pentru planeta noastră.

Să scriem a doua lege a lui Newton pentru un corp care se învârte în jurul planetei pe o orbită circulară:

,

unde h este înălțimea corpului deasupra suprafeței, R este raza Pământului.

Pe orbită, accelerația centrifugă acționează asupra corpului, astfel:

.

Masele sunt reduse, obținem:

,

Această viteză se numește prima viteză cosmică:

După cum puteți vedea, viteza spațială este absolut independentă de masa corpului. Astfel, orice obiect accelerat la o viteză de 7,9 km/s va părăsi planeta noastră și va intra pe orbita ei.

prima viteză cosmică

A doua viteză spațială

Cu toate acestea, chiar și după accelerarea corpului la primul viteza spatiala, nu vom putea rupe complet legătura sa gravitațională cu Pământul. Pentru aceasta, este nevoie de a doua viteză cosmică. La atingerea acestei viteze, corpul părăsește câmpul gravitațional al planeteiși toate orbitele închise posibile.

Important! Din greșeală, se crede adesea că, pentru a ajunge pe Lună, astronauții trebuiau să atingă a doua viteză cosmică, pentru că mai întâi trebuiau să se „deconecteze” de câmpul gravitațional al planetei. Nu este așa: perechea Pământ-Lună se află în câmpul gravitațional al Pământului. Centrul lor comun de greutate este în interiorul globului.

Pentru a găsi această viteză, am stabilit problema puțin diferit. Să presupunem că un corp zboară de la infinit pe o planetă. Întrebare: ce viteză se va atinge la suprafață la aterizare (fără a ține cont de atmosferă, desigur)? Este aceasta viteza si va fi nevoie ca trupul să părăsească planeta.

Legea gravitației universale. Fizica clasa a 9-a

Legea gravitației universale.

Concluzie

Am aflat că, deși gravitația este forța principală a universului, multe dintre motivele acestui fenomen sunt încă un mister. Am aflat ce este forța gravitațională universală a lui Newton, am învățat cum să o calculăm pentru diferite corpuri și am studiat, de asemenea, câteva consecințe utile care decurg dintr-un astfel de fenomen precum legea universală a gravitației.

Fiecare persoană din viața sa a întâlnit acest concept de mai multe ori, deoarece gravitația este baza nu numai a fizicii moderne, ci și a unui număr de alte științe conexe.

Mulți oameni de știință au studiat atracția corpurilor din cele mai vechi timpuri, dar principala descoperire este atribuită lui Newton și este descrisă ca o poveste cunoscută de toată lumea cu un fruct care i-a căzut pe cap.

Ce este gravitația în cuvinte simple

Gravitația este atracția dintre mai multe obiecte din univers. Natura fenomenului este diferită, deoarece este determinată de masa fiecăruia dintre ele și de lungimea dintre, adică de distanță.

Teoria lui Newton s-a bazat pe faptul că atât fructul care căde, cât și satelitul planetei noastre sunt afectați de aceeași forță - atracția către Pământ. Și satelitul nu a căzut pe spațiul pământesc tocmai din cauza masei și distanței sale.

Câmp gravitațional

Câmpul gravitațional este un spațiu în care corpurile interacționează conform legilor atracției.

Teoria relativității a lui Einstein descrie câmpul ca o anumită proprietate a timpului și spațiului, care se manifestă în mod caracteristic atunci când apar obiectele fizice.

undă gravitațională

Acesta este un anumit tip de schimbare a câmpurilor care se formează ca urmare a radiațiilor de la obiectele în mișcare. Se desprind de subiect și se propagă într-un efect de undă.

Teorii ale gravitației

Teoria clasică este newtoniană. Cu toate acestea, nu a fost perfect și au apărut ulterior opțiuni alternative.

Acestea includ:

• teorii metrice;
• nemetric;
• vector;
• Le Sage, care a descris primul fazele;
• gravitația cuantică.

Astăzi, există câteva zeci de teorii diferite, toate fie se completează reciproc, fie iau în considerare fenomene din cealaltă parte.

Nu valoreaza nimic: nu există încă o soluție perfectă, dar evoluțiile în curs deschid mai multe răspunsuri în ceea ce privește atracția corpurilor.

Forța de atracție gravitațională

Calculul de bază este următorul - forța gravitației este proporțională cu înmulțirea masei corporale cu alta, între care se determină. Această formulă se exprimă și astfel: forța este invers proporțională cu distanța dintre obiecte la pătrat.

Câmpul gravitațional este potențial, ceea ce înseamnă că energia cinetică este conservată. Acest fapt simplifică rezolvarea problemelor în care se măsoară forța de atracție.

Gravitația în spațiu

În ciuda amăgirii multora, există gravitație în spațiu. Este mai jos decât pe Pământ, dar încă prezent.

Cât despre astronauți, care la prima vedere zboară, ei sunt de fapt într-o stare de cădere lentă. Vizual, se pare că nu sunt atrași de nimic, dar în practică experimentează gravitația.

Puterea atracției depinde de distanță, dar oricât de mare este distanța dintre obiecte, acestea vor continua să se întindă unul spre celălalt. Atracția reciprocă nu va fi niciodată egală cu zero.

Gravitația în sistemul solar

LA sistem solar Nu numai Pământul are gravitație. Planetele, ca și Soarele, atrag obiecte spre ele.

Deoarece forța este determinată de masa obiectului, Soarele are cea mai mare valoare. De exemplu, dacă planeta noastră are un indicator egal cu unu, atunci indicatorul unui luminar va fi aproape douăzeci și opt.

Următorul, după Soare, în gravitație este Jupiter, deci forța sa de atracție este de trei ori mai mare decât cea a Pământului. Pluto are cel mai mic parametru.

Pentru claritate, să o notăm astfel, în teorie, pe Soare, o persoană medie ar cântări aproximativ două tone, dar pe cea mai mică planetă din sistemul nostru - doar patru kilograme.

Ceea ce determină gravitația planetei

Atracția gravitațională, așa cum am menționat deja mai sus, este puterea cu care planeta trage spre sine obiectele aflate pe suprafața sa.

Forța de atracție depinde de gravitația obiectului, de planeta însăși și de distanța dintre ele. Dacă sunt mulți kilometri, gravitația este scăzută, dar încă menține obiectele conectate.

Câteva aspecte importante și fascinante legate de gravitație și proprietățile sale care merită explicate unui copil:

1. Fenomenul atrage totul, dar nu respinge niciodată - acest lucru îl deosebește de alte fenomene fizice.
2. Nu există indicator zero. Este imposibil de simulat o situație în care presiunea nu acționează, adică gravitația nu funcționează.
3. Pământul cade din viteza medie 11,2 kilometri pe secundă, atingând această viteză, poți părăsi fântâna atrăgătoare a planetei.
4. Faptul existenței undelor gravitaționale nu a fost dovedit științific, aceasta este doar o presupunere. Dacă vor deveni vreodată vizibile, atunci multe mistere ale cosmosului legate de interacțiunea corpurilor vor fi dezvăluite omenirii.

Conform teoriei relativității de bază a unui om de știință precum Einstein, gravitația este o curbură a parametrilor de bază ai existenței lumii materiale, care stă la baza universului.

Gravitația este atracția reciprocă a două obiecte. Forța de interacțiune depinde de gravitația corpurilor și de distanța dintre ele. Până acum, nu au fost dezvăluite toate secretele fenomenului, dar astăzi există câteva zeci de teorii care descriu conceptul și proprietățile sale.

Complexitatea obiectelor studiate afectează timpul studiului. În cele mai multe cazuri, dependența de masă și distanță este pur și simplu luată.