Гравитацията е най-мистериозната сила във Вселената. Учените не познават напълно природата му. Тя е тази, която държи планетите от Слънчевата система в орбита. Това е сила, която възниква между два обекта и зависи от масата и разстоянието.
Гравитацията се нарича сила на привличане или гравитация. С негова помощ планета или друго тяло привлича обекти към своя център. Гравитацията поддържа планетите в орбита около Слънцето.
Какво друго прави гравитацията?
Защо се приземявате на земята, когато скачате, вместо да изплувате в космоса? Защо нещата падат, когато ги хвърлите? Отговорът е невидимата сила на гравитацията, която дърпа обектите един към друг. Земна гравитацияе това, което ви държи здраво и кара нещата да се сриват.
Всичко, което има маса, има гравитация. Силата на гравитацията зависи от два фактора: масата на обектите и разстоянието между тях. Ако вземете камък и перо, с същата височинапуснете ги, и двата обекта ще паднат на земята. Тежък камък ще падне по-бързо от перо. Перото пак ще виси във въздуха, защото е по-леко. Обектите с по-голяма маса имат по-силна гравитационна сила, която отслабва с разстоянието: колкото по-близо са обектите един до друг, толкова по-силно е тяхното гравитационно привличане.
Гравитация на Земята и във Вселената
По време на полета на самолета хората в него остават на място и могат да се движат като по земята. Това се случва поради траекторията на полета. Има специално проектирани самолети, в които няма гравитация на определена височина, което води до безтегловност. Самолетът извършва специална маневра, масата на обектите се променя и те се издигат във въздуха за кратко време. След няколко секунди гравитационното поле се възстановява.
Като се има предвид силата на гравитацията в космоса, земното кълбо е по-голямо от повечето планети. Просто погледнете движението на астронавтите при кацане на планети. Ако вървим спокойно по земята, тогава астронавтите сякаш се носят във въздуха, но не летят в космоса. Това означава, че тази планета също има гравитационна сила, съвсем малко по-различна от тази на планетата Земя.
Гравитационната сила на Слънцето е толкова силна, че държи девет планети, множество спътници, астероиди и планети.
Гравитацията играе жизненоважна роля в развитието на Вселената. При липса на гравитация нямаше да има звезди, планети, астероиди, черни дупки или галактики. Интересното е, че черните дупки всъщност не се виждат. Учените определят признаците на черна дупка по силата на гравитационното поле в определена област. Ако е много силен със силна вибрация, това показва съществуването на черна дупка.
Мит 1. В космоса няма гравитация
Гледам през документални филмиотносно астронавтите, те сякаш се носят над повърхността на планетите. Това се случва, защото на други планети гравитацията е по-ниска, отколкото на Земята, така че астронавтите ходят, сякаш се носят във въздуха.
Мит 2. Всички тела, които се доближават до черна дупка, се разкъсват
Черните дупки имат мощна силаи образуват мощни гравитационни полета. Колкото по-близо е един обект до черна дупка, толкова по-силни стават приливните сили и гравитацията. По-нататъшното развитие на събитията зависи от масата на обекта, размера на черната дупка и разстоянието между тях. Черната дупка има маса, която е точно противоположна на нейния размер. Интересното е, че колкото по-голяма е дупката, толкова по-слаби са приливните сили и обратното. По този начин, не всички обекти се разкъсват, когато навлизат в полето на черната дупка.
Мит 3. Изкуствените спътници могат да обикалят около Земята завинаги
Теоретично може да се каже така, ако не беше влиянието на вторични фактори. Много зависи от орбитата. В ниска орбита сателитът няма да може да лети вечно поради атмосферно спиране; във високи орбити той може да остане в непроменено състояние за доста дълго време, но тук влизат в сила гравитационните сили на други обекти.
Ако сред всички планети съществуваше само Земята, спътникът щеше да бъде привлечен от нея и практически нямаше да промени траекторията си. Но на високи орбити обектът е заобиколен от много планети, големи и малки, всяка със собствена гравитационна сила.
В този случай спътникът постепенно ще се отдалечи от орбитата си и ще се движи хаотично. И е вероятно след известно време да се е разбил на най-близката повърхност или да се е преместил на друга орбита.
Някои факти
- В някои части на Земята силата на гравитацията е по-слаба, отколкото на цялата планета. Например в Канада, в района на залива Хъдсън, силата на гравитацията е по-ниска.
- Когато астронавтите се завърнат от космоса на нашата планета, в самото начало им е трудно да се адаптират към гравитационната сила на земното кълбо. Понякога това отнема няколко месеца.
- Черните дупки имат най-мощната гравитационна сила сред космическите обекти. Една черна дупка с размерите на топка има повече сила от която и да е планета.
Въпреки непрекъснатото изследване на силата на гравитацията, гравитацията остава неразгадана. Означава, че научно познаниеостават ограничени и човечеството има много нови неща да научи.
Първо, нека си представим Земята като неподвижна топка (фиг. 3.1, а). Гравитационната сила F между Земята (маса M) и обект (маса m) се определя по формулата: F=Жmm/r 2
където r е радиусът на Земята. Константата G е известна като универсална гравитационна константаи изключително малък. Когато r е постоянно, силата F е const. м. Привличането на тяло с маса m от Земята определя теглото на това тяло: W = mg сравнението на уравненията дава: g = const = GM/r 2.
Привличането на тяло с маса m от Земята го кара да пада „надолу“ с ускорение g, което е постоянно във всички точки A, B, C и навсякъде по земната повърхност(фиг. 3.1,6).
Силова диаграма свободно тялосъщо показва, че на Земята действа сила от тяло с маса m, която е насочена противоположно на силата, действаща на тялото от Земята. Въпреки това, масата M на Земята е толкова голяма, че „нагоре“ ускорението a на Земята, изчислено по формулата F = Ma, е незначително и може да бъде пренебрегнато. Земята има форма, различна от сферична: радиусът на полюса r r е по-малък от радиуса на екватора r e. Това означава, че силата на привличане на тяло с маса m на полюса F p = GMm/r 2 p е по-голяма от тази на екватора F e = GMm/r e . Следователно ускорението на свободното падане g p на полюса е по-голямо от ускорението на свободното падане g e на екватора. Ускорението g се променя с географската ширина в съответствие с промяната на радиуса на Земята.
Както знаете, Земята е вътре постоянно движение. Той се върти около оста си, като прави един оборот всеки ден и се движи по орбита около Слънцето с оборот от една година. За простота, приемайки Земята като хомогенна топка, нека разгледаме движението на тела с маса m на полюс А и на екватор С (фиг. 3.2). За един ден тялото в точка А се завърта на 360°, оставайки на място, докато тялото в точка С изминава разстояние от 2l. За да може тяло, разположено в точка C, да се движи по кръгова орбита, е необходима някаква сила. Това е центростремителна сила, която се определя по формулата mv 2 /r, където v е скоростта на тялото в орбита. Силата на гравитационно привличане, действаща върху тяло, разположено в точка C, F = GMm/r, трябва:
а) осигуряват движението на тялото в кръг;
б) привличат тялото към Земята.
Така F = (mv 2 /r)+mg на екватора и F = mg на полюса. Това означава, че g се променя с географската ширина, тъй като орбиталният радиус се променя от r в точка C до нула в точка A.
Интересно е да си представим какво би се случило, ако скоростта на въртене на Земята се увеличи толкова много, че центростремителната сила, действаща върху тяло на екватора, ще стане равна на силата на гравитацията, т.е. mv 2 /r = F = GMm/r 2 . Общ гравитационна силаще се използва единствено за задържане на тялото в точка С в кръгова орбита и няма да има сила, която да действа върху повърхността на Земята. Всяко по-нататъшно увеличаване на скоростта на въртене на Земята би позволило на тялото да „отлети“ в космоса. Въпреки това, ако космически корабс астронавти на борда, изстрелян на височина R над центъра на Земята със скорост v, така че да е изпълнено равенството mv*/R=F = GMm/R 2, тогава този космически кораб ще се върти около Земята в условия на безтегловност .
Точните измервания на гравитационното ускорение g показват, че g варира в зависимост от географската ширина, както е показано в таблица 3.1. От това следва, че теглото на определено тяло се променя над повърхността на Земята от максимум на ширина 90° до минимум на ширина 0°.
На това ниво на обучение малките промени в ускорението g обикновено се пренебрегват и се използва средната стойност от 9,81 m-s 2 . За да се опростят изчисленията, ускорението g често се приема като най-близкото цяло число, т.е. 10 m-s - 2, и по този начин силата на привличане, действаща от Земята върху тяло с тегло 1 kg, т.е. тегло, се приема като 10 N. Повечето изпитни комисии предлагат използвайки g=10 m-s - 2 или 10 N-kg -1 за изпитваните за опростяване на изчисленията.
Въпреки факта, че гравитацията е най-слабото взаимодействие между обектите във Вселената, нейното значение във физиката и астрономията е огромно, тъй като може да повлияе на физически обекти на всяко разстояние в космоса.
Ако се интересувате от астрономия, вероятно сте се чудили какво е такова понятие като гравитация или закон универсална гравитация. Гравитацията е универсалното фундаментално взаимодействие между всички обекти във Вселената.
Откриването на закона за гравитацията се приписва на известния английски физик Исак Нютон. Вероятно много от вас знаят историята за ябълката, която падна върху главата на известния учен. Въпреки това, ако погледнете по-дълбоко в историята, можете да видите, че наличието на гравитация се мисли много преди неговата ера от философи и учени от древността, например Епикур. Но Нютон е този, който пръв описва гравитационното взаимодействие между физическите тела в рамките на класическата механика. Неговата теория е разработена от друг известен учен Алберт Айнщайн, който в своята обща теория на относителността по-точно описва влиянието на гравитацията в космоса, както и нейната роля в пространствено-времевия континуум.
Законът на Нютон за всеобщото привличане гласи, че силата на гравитационното привличане между две точки на маса, разделени от разстояние, е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието и право пропорционална на двете маси. Силата на гравитацията е далечна. Тоест, независимо как се движи тяло с маса класическа механиканеговият гравитационен потенциал ще зависи изцяло от позицията на този обект този моментвреме. Колкото по-голяма е масата на един обект, толкова по-голямо е неговото гравитационно поле - толкова по-мощна е гравитационната сила, която притежава. Космическите обекти като галактики, звезди и планети имат най-голяма гравитационна сила и съответно доста силни гравитационни полета.
Гравитационни полета
Гравитационното поле на Земята
Гравитационното поле е разстоянието, в рамките на което възниква гравитационно взаимодействие между обектите във Вселената. Колкото по-голяма е масата на един обект, толкова по-силно е гравитационното му поле - толкова по-забележимо е въздействието му върху други физически тела в определено пространство. Гравитационното поле на даден обект е потенциално. Същността на предишното твърдение е, че ако въведете потенциалната енергия на привличане между две тела, тогава тя няма да се промени след преместването на последното по затворен контур. Оттук идва друг известен закон за запазване на сумата от потенциална и кинетична енергия в затворен контур.
В материалния свят гравитационното поле е от голямо значение. Притежават го всички материални обекти във Вселената, които имат маса. Гравитационното поле може да влияе не само на материята, но и на енергията. Благодарение на влиянието на гравитационните полета на такива големи космически обекти като черни дупки, квазари и свръхмасивни звезди се формират слънчеви системи, галактики и други астрономически клъстери, които се характеризират с логическа структура.
Последните научни данни показват, че известният ефект от разширяването на Вселената също се основава на законите на гравитационното взаимодействие. По-специално, разширяването на Вселената се улеснява от мощни гравитационни полета, както на малките, така и на най-големите обекти.
Гравитационно излъчване в двойна система
Гравитационно излъчване или гравитационна вълна е термин, въведен за първи път във физиката и космологията от известния учен Алберт Айнщайн. Гравитационното излъчване в теорията на гравитацията се генерира от движението на материални обекти с променливо ускорение. По време на ускорението на обект, гравитационна вълна сякаш се „откъсва“ от него, което води до колебания на гравитационното поле в околното пространство. Това се нарича ефект гравитационна вълна.
Въпреки че гравитационните вълни се предсказват от общата теория на относителността на Айнщайн, както и от други теории за гравитацията, те никога не са били директно открити. Това се дължи преди всичко на изключителната им малка площ. В астрономията обаче има косвени доказателства, които могат да потвърдят този ефект. Така ефектът на гравитационната вълна може да се наблюдава в примера за сближаване на двойни звезди. Наблюденията потвърждават, че скоростта на сближаване на двойните звезди зависи до известна степен от загубата на енергия от тези космически обекти, която вероятно се изразходва за гравитационно излъчване. Учените ще могат надеждно да потвърдят тази хипотеза в близко бъдеще с помощта на новото поколение телескопи Advanced LIGO и VIRGO.
IN съвременна физикаИма две концепции за механиката: класическа и квантова. Квантовата механика е разработена сравнително наскоро и е фундаментално различна от класическата механика. В квантовата механика обектите (квантите) нямат определени позиции и скорости; тук всичко се основава на вероятност. Тоест един обект може да заема определено място в пространството в определен момент от времето. Къде ще се движи след това не може да се определи надеждно, но само с голяма степен на вероятност.
Интересен ефект на гравитацията е, че тя може да огъне пространствено-времевия континуум. Теорията на Айнщайн гласи, че в пространството около сноп енергия или всякаква материална субстанция пространство-времето е извито. Съответно траекторията на частиците, които попадат под влиянието на гравитационното поле на това вещество, се променя, което позволява да се предвиди траекторията на тяхното движение с висока степен на вероятност.
Теории за гравитацията
Днес учените познават над дузина различни теории за гравитацията. Те се делят на класически и алтернативни теории. Най-известният представител на първото е класическата теория за гравитацията на Исак Нютон, която е изобретена от известния британски физик през 1666 г. Същността му се състои в това, че масивното тяло в механиката генерира около себе си гравитационно поле, което привлича по-малко големи обекти. От своя страна, последните също имат гравитационно поле, както всички други материални обекти във Вселената.
Следващата популярна теория за гравитацията е изобретена от световноизвестния немски учен Алберт Айнщайн в началото на 20 век. Айнщайн успя да опише по-точно гравитацията като феномен и също така да обясни нейното действие не само в класическата механика, но и в квантовия свят. Неговата обща теориятеорията на относителността описва способността на сила като гравитацията да влияе върху пространствено-времевия континуум, както и върху траекторията на движение на елементарни частици в пространството.
Сред алтернативните теории за гравитацията може би най-голямо внимание заслужава релативистката теория, която е изобретена от нашия сънародник, известния физик А.А. Логунов. За разлика от Айнщайн, Логунов твърди, че гравитацията не е геометрично, а реално, доста силно физическо силово поле. Сред алтернативните теории на гравитацията са известни още скаларна, биметрична, квазилинейна и др.
- За хората, които са били в космоса и са се върнали на Земята, в началото е доста трудно да свикнат със силата на гравитационното влияние на нашата планета. Понякога това отнема няколко седмици.
- Доказано е, че човешкото тяло в състояние на безтегловност може да загуби до 1% от масата на костния мозък на месец.
- Най-малко привлекателната сила в слънчева системаСред планетите Марс е най-голямата, а Юпитер е най-голямата.
- Известните бактерии салмонела, които причиняват чревни заболявания, се държат по-активно в състояние на безтегловност и са способни да причинят много повече вреда на човешкото тяло.
- Сред всички известни астрономически обекти във Вселената черните дупки имат най-голямата гравитационна сила. Черна дупка с размерите на топка за голф може да има същата гравитационна сила като цялата ни планета.
- Силата на гравитацията на Земята не е еднаква във всички кътчета на нашата планета. Например в района на залива Хъдсън в Канада той е по-нисък, отколкото в други региони на земното кълбо.
По кой закон ще ме обесите?
- И ние бесим всички според един закон - закона за Всемирното притегляне.
Закон за гравитацията
Феноменът на гравитацията е законът за всемирното притегляне. Две тела действат едно върху друго със сила, която е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях и право пропорционална на произведението на техните маси.
Математически можем да изразим този велик закон чрез формулата
Гравитацията действа на огромни разстояния във Вселената. Но Нютон твърди, че всички обекти се привличат взаимно. Вярно ли е, че всеки два обекта се привличат? Само си представете, известно е, че Земята ви привлича, седейки на стол. Но мислили ли сте някога, че компютърът и мишката се привличат? Или молив и химикал, лежащи на масата? В този случай заместваме масата на писалката и масата на молива във формулата, разделяме на квадрата на разстоянието между тях, като вземем предвид гравитационната константа и получаваме силата на тяхното взаимно привличане. Но ще бъде толкова малък (поради малките маси на химикала и молива), че не усещаме присъствието му. Друг е въпросът кога ние говорим заза Земята и стола, или Слънцето и Земята. Масите са значителни, което означава, че вече можем да оценим ефекта на силата.
Нека си припомним ускорението на свободното падане. Това е действието на закона за привличането. Под въздействието на сила тялото променя скоростта толкова по-бавно, колкото по-голяма е масата му. В резултат на това всички тела падат на Земята с еднакво ускорение.
Какво причинява тази невидима уникална сила? Днес съществуването на гравитационно поле е известно и доказано. Повече за природата на гравитационното поле можете да научите в допълнителния материал по темата.
Помислете за това, какво е гравитацията? От къде е? Какво е? Със сигурност не може планетата да погледне Слънцето, да види колко далеч е то и да изчисли обратния квадрат на разстоянието в съответствие с този закон?
Посока на гравитацията
Има две тела, да кажем тяло A и B. Тяло A привлича тяло B. Силата, с която действа тяло A, започва от тяло B и е насочена към тяло A. Тоест тя „взема“ тяло B и го дърпа към себе си . Тяло Б „прави“ същото с тяло А.
Всяко тяло е привлечено от Земята. Земята „взема” тялото и го дърпа към центъра. Следователно тази сила винаги ще бъде насочена вертикално надолу и се прилага от центъра на тежестта на тялото, нарича се сила на гравитацията.
Основното нещо, което трябва да запомните
Някои методи за геоложко проучване, прогнозиране на приливи и отливи напоследъкизчисляване на движението изкуствени спътниции междупланетни станции. Предварително изчисляване на планетарни позиции.
Можем ли сами да направим такъв експеримент и да не гадаем дали планетите и обектите се привличат?
Такъв пряк опит, направен Кавендиш (Хенри Кавендиш (1731-1810) - английски физик и химик)с помощта на устройството, показано на фигурата. Идеята беше да окачите пръчка с две топки на много тънка кварцова нишка и след това да донесете две големи оловни топки към тях отстрани. Привличането на топките ще усуче леко нишката - леко, защото силите на привличане между обикновените предмети са много слаби. С помощта на такова устройство Кавендиш успява директно да измери силата, разстоянието и големината на двете маси и по този начин да определи гравитационна константа G.
Уникалното откритие на гравитационната константа G, която характеризира гравитационното поле в космоса, направи възможно определянето на масата на Земята, Слънцето и др. небесни тела. Затова Кавендиш нарича опита си „претегляне на Земята“.
Интересното е, че различните закони на физиката имат някои общи черти. Нека се обърнем към законите на електричеството (силата на Кулон). Електрическите сили също са обратно пропорционални на квадрата на разстоянието, но между зарядите, и неволно възниква мисълта, че в този модел се крие дълбок смисъл. Досега никой не е успял да си представи гравитацията и електричеството като две различни проявления на една и съща същност.
Силата тук също варира обратно пропорционално на квадрата на разстоянието, но разликата в големината на електрическите и гравитационните сили е поразителна. Опитвайки се да установим общата природа на гравитацията и електричеството, ние откриваме такова превъзходство на електрическите сили над силите на гравитацията, че е трудно да се повярва, че и двете имат един и същ източник. Как можеш да кажеш, че единият е по-силен от другия? В крайна сметка всичко зависи от това каква е масата и какъв е зарядът. Когато обсъждате колко силно действа гравитацията, нямате право да кажете: „Да вземем маса с такъв и такъв размер“, защото вие сами го избирате. Но ако вземем това, което самата природа ни предлага (нейните собствени числа и мерки, които нямат нищо общо с нашите инчове, години, с нашите мерки), тогава ще можем да сравним. Вземаме елементарна заредена частица, например електрон. Две елементарни частици, два електрона, поради електрически зарядотблъскват се със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях, а поради гравитацията се привличат отново със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието.
Въпрос: Какво е отношението на гравитационната сила към електрическата сила? Гравитацията е спрямо електрическото отблъскване, както едно е към число с 42 нули. Това предизвиква дълбоко недоумение. Откъде може да дойде такъв огромен брой?
Хората търсят този огромен коефициент в други природни явления. Минават през всякакви големи числаи ако имате нужда голямо число, защо да не вземем, да речем, съотношението на диаметъра на Вселената към диаметъра на протона - учудващо, това също е число с 42 нули. И така те казват: може би този коефициент е равен на отношението на диаметъра на протона към диаметъра на Вселената? Това е интересна идея, но тъй като Вселената постепенно се разширява, гравитационната константа също трябва да се промени. Въпреки че тази хипотеза все още не е опровергана, ние не разполагаме с никакви доказателства в нейна полза. Напротив, някои доказателства сочат, че гравитационната константа не се е променила по този начин. Този огромен брой остава загадка и до днес.
Айнщайн трябваше да промени законите на гравитацията в съответствие с принципите на относителността. Първият от тези принципи гласи, че разстояние x не може да бъде преодоляно мигновено, докато според теорията на Нютон силите действат мигновено. Айнщайн трябваше да промени законите на Нютон. Тези промени и уточнения са много малки. Едно от тях е следното: тъй като светлината има енергия, енергията е еквивалентна на масата и всички маси се привличат, светлината също се привлича и следователно, преминавайки покрай Слънцето, трябва да бъде отклонена. Ето как всъщност се случва. Силата на гравитацията също е леко модифицирана в теорията на Айнщайн. Но тази съвсем лека промяна в закона за гравитацията е достатъчна, за да обясни някои от очевидните нередности в движението на Меркурий.
Физическите явления в микросвета са подчинени на различни закони от явленията в света в голям мащаб. Възниква въпросът: как се проявява гравитацията в света на малките мащаби? На него ще отговори квантовата теория на гравитацията. Но все още няма квантова теория за гравитацията. Хората все още не са постигнали голям успех в създаването на теория за гравитацията, която е напълно съвместима с принципите на квантовата механика и с принципа на несигурността.
Най-важното явление, постоянно изучавано от физиците, е движението. Електромагнитни явления, закони на механиката, термодинамични и квантови процеси - всичко това е широк спектър от фрагменти от Вселената, изучавани от физиката. И всички тези процеси се свеждат по един или друг начин до едно – до.
Във връзка с
Всичко във Вселената се движи. Гравитацията е често срещано явление за всички хора от детството, ние сме родени в гравитационното поле на нашата планета, това физическо явлениесе възприема от нас на най-дълбоко интуитивно ниво и, изглежда, дори не изисква изучаване.
Но, уви, въпросът е защо и как всички тела се привличат, остава и до днес неразкрит напълно, въпреки че е проучен надлъж и нашир.
В тази статия ще разгледаме какво представлява универсалната гравитация на Нютон - класическа теорияземно притегляне. Въпреки това, преди да преминем към формули и примери, ще говорим за същността на проблема с привличането и ще му дадем определение.
Може би изучаването на гравитацията стана началото на естествената философия (науката за разбиране на същността на нещата), може би естествената философия породи въпроса за същността на гравитацията, но по един или друг начин въпросът за гравитацията на телата започва да се интересува от древна Гърция.
Движението се разбира като същността на сетивната характеристика на тялото или по-скоро тялото се движи, докато наблюдателят го вижда. Ако не можем да измерим, претеглим или усетим дадено явление, означава ли това, че това явление не съществува? Естествено, това не означава. И тъй като Аристотел разбира това, започват размисли върху същността на гравитацията.
Както се оказва днес, след много десетки векове, гравитацията е в основата не само на гравитацията и привличането на нашата планета, но и в основата на произхода на Вселената и почти всички съществуващи елементарни частици.
Задача за движение
Нека проведем мисловен експеримент. Нека вземем малка топка в лявата си ръка. Да вземем същия отдясно. Нека пуснем дясната топка и тя ще започне да пада надолу. Лявата остава в ръката, все още е неподвижна.
Нека мислено спрем хода на времето. Падащата дясна топка „виси“ във въздуха, лявата все още остава в ръката. Дясната топка е надарена с „енергията“ на движение, лявата не. Но каква е дълбоката, значима разлика между тях?
Къде, в коя част на падащата топка пише, че трябва да се движи? Има същата маса, същия обем. Той има същите атоми и те не се различават от атомите на топката в покой. Топка има? Да, това е правилният отговор, но как топката знае, че има потенциална енергия, къде е записано това в него?
Именно това е задачата, която си поставят Аристотел, Нютон и Алберт Айнщайн. И тримата брилянтни мислители отчасти решиха този проблем за себе си, но днес има редица въпроси, които изискват решение.
Гравитацията на Нютон
През 1666 г. най-големият английски физик и механик И. Нютон открива закон, който може да изчисли количествено силата, поради която цялата материя във Вселената се стреми една към друга. Това явление се нарича универсална гравитация. Когато ви попитат: „Формулирайте закона за всемирното притегляне“, отговорът ви трябва да звучи така:
Локализира се силата на гравитационното взаимодействие, допринасяща за привличането на две тела правопропорционална на масите на тези телаи обратно пропорционално на разстоянието между тях.
важно!Законът за привличането на Нютон използва термина "разстояние". Този термин трябва да се разбира не като разстоянието между повърхностите на телата, а като разстоянието между техните центрове на тежестта. Например, ако две топки с радиуси r1 и r2 лежат една върху друга, тогава разстоянието между техните повърхности е нула, но има сила на привличане. Работата е там, че разстоянието между техните центрове r1+r2 е различно от нула. В космически мащаб това уточнение не е важно, но за спътник в орбита това разстояние е равно на височината над повърхността плюс радиуса на нашата планета. Разстоянието между Земята и Луната също се измерва като разстоянието между техните центрове, а не като техните повърхности.
За закона на гравитацията формулата е следната:
,
- F – сила на привличане,
- – маси,
- r – разстояние,
- G – гравитационна константа, равна на 6,67·10−11 m³/(kg·s²).
Какво е теглото, ако просто погледнем силата на гравитацията?
Силата е векторна величина, но в закона за всемирното привличане тя традиционно се записва като скалар. Във векторно изображение законът ще изглежда така:
.
Но това не означава, че силата е обратно пропорционална на куба на разстоянието между центровете. Отношението трябва да се възприема като единичен вектор, насочен от един център към друг:
.
Закон за гравитационното взаимодействие
Тегло и гравитация
След като разгледахме закона за гравитацията, можем да разберем, че не е изненадващо, че ние лично усещаме гравитацията на Слънцето много по-слабо от земната. Въпреки че масивното Слънце има голяма маса, то е много далеч от нас. също е далеч от Слънцето, но се привлича от него, тъй като има голяма маса. Как да намерим гравитационната сила на две тела, а именно как да изчислим гравитационната сила на Слънцето, Земята и теб и мен - ще се занимаем с този въпрос малко по-късно.
Доколкото знаем, силата на гравитацията е:
където m е нашата маса, а g е ускорението на свободното падане на Земята (9,81 m/s 2).
важно!Няма два, три, десет вида притегателни сили. Гравитацията е единствената сила, която дава количествени характеристикиатракция. Теглото (P = mg) и гравитационната сила са едно и също нещо.
Ако m е нашата маса, M е масата на земното кълбо, R е неговият радиус, тогава гравитационната сила, действаща върху нас, е равна на:
Така, тъй като F = mg:
.
Масите m се намаляват, а изразът за ускорението на свободното падане остава:
Както виждаме, ускорението на гравитацията е наистина постоянна величина, тъй като формулата му включва постоянни величини - радиуса, масата на Земята и гравитационната константа. Замествайки стойностите на тези константи, ще се уверим, че ускорението на гравитацията е равно на 9,81 m / s 2.
На различни географски ширини радиусът на планетата е малко по-различен, тъй като Земята все още не е перфектна сфера. Поради това ускорението на свободното падане в отделни точки на земното кълбо е различно.
Да се върнем към привличането на Земята и Слънцето. Нека се опитаме да докажем с пример, че земното кълбо привлича вас и мен по-силно от Слънцето.
За удобство нека вземем масата на човек: m = 100 kg. Тогава:
- Разстоянието между човек и земното кълбо е равно на радиуса на планетата: R = 6,4∙10 6 m.
- Масата на Земята е: M ≈ 6∙10 24 kg.
- Масата на Слънцето е: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
- Разстояние между нашата планета и Слънцето (между Слънцето и човека): r=15∙10 10 m.
Гравитационно привличане между човека и Земята:
Този резултат е доста очевиден от по-простия израз за тегло (P = mg).
Силата на гравитационното привличане между човека и Слънцето:
Както виждаме, нашата планета ни привлича почти 2000 пъти по-силно.
Как да намерим силата на привличане между Земята и Слънцето? По следния начин:
Сега виждаме, че Слънцето привлича нашата планета повече от милиард милиарди пъти по-силно, отколкото планетата привлича вас и мен.
Първа евакуационна скорост
След като Исак Нютон открива закона за всемирното притегляне, той се интересува от това колко бързо трябва да се хвърли едно тяло, така че, след като преодолее гравитационното поле, да напусне земното кълбо завинаги.
Вярно, той си го представи малко по-различно, според неговото разбиране това не беше вертикално стояща ракета, насочена към небето, а тяло, което хоризонтално направи скок от върха на планина. Това беше логична илюстрация, защото На върха на планината силата на гравитацията е малко по-малка.
Така че на върха на Еверест ускорението на гравитацията няма да бъде обичайните 9,8 m/s 2 , а почти m/s 2 . Поради тази причина въздухът там е толкова разреден, че частиците на въздуха вече не са толкова обвързани с гравитацията, колкото тези, които са „паднали“ на повърхността.
Нека се опитаме да разберем каква е скоростта на бягство.
Първата евакуационна скорост v1 е скоростта, с която тялото напуска повърхността на Земята (или друга планета) и навлиза в кръгова орбита.
Нека се опитаме да разберем числената стойност на тази стойност за нашата планета.
Нека напишем втория закон на Нютон за тяло, което се върти около планета в кръгова орбита:
,
където h е височината на тялото над повърхността, R е радиусът на Земята.
В орбита тялото е обект на центробежно ускорение, като по този начин:
.
Масите се намаляват, получаваме:
,
Тази скоростнаречена първа евакуационна скорост:
Както можете да видите, скоростта на бягство е абсолютно независима от телесната маса. Така всеки обект, ускорен до скорост от 7,9 km/s, ще напусне нашата планета и ще влезе в нейната орбита.
Първа евакуационна скорост
Втора скорост на бягство
Но дори и да ускорим тялото до първата скорост на бягство, ние няма да можем напълно да прекъснем гравитационната му връзка със Земята. Ето защо се нуждаем от втора скорост на бягство. При достигане на тази скорост тялото напуска гравитационното поле на планетатаи всички възможни затворени орбити.
важно!Често погрешно се смята, че за да стигнат до Луната, астронавтите трябва да достигнат втората скорост на бягство, тъй като първо трябва да се „изключат“ от гравитационното поле на планетата. Това не е така: двойката Земя-Луна е в гравитационното поле на Земята. Техният общ център на тежестта е вътре в земното кълбо.
За да намерим тази скорост, нека поставим задачата малко по-различно. Да кажем, че едно тяло лети от безкрайността до планета. Въпрос: каква скорост ще бъде достигната на повърхността при кацане (без да се взема предвид атмосферата, разбира се)? Точно това е скоростта тялото ще трябва да напусне планетата.
Законът за всемирното притегляне. Физика 9 клас
Закон за всемирното привличане.
Заключение
Научихме, че въпреки че гравитацията е основната сила във Вселената, много от причините за това явление все още остават загадка. Научихме какво е силата на универсалната гравитация на Нютон, научихме се да я изчисляваме за различни тела и също така проучихме някои полезни последствия, които произтичат от такова явление като универсалния закон за гравитацията.
