Класическата теория на гравитацията на Нютон. Какъв е законът за всемирното притегляне: формулата на голямото откритие
По кой закон ще ме обесите?
- И ние бесим всички по 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 за факта, че компютърът и мишката се привличат? Или молив и писалка на масата? В този случай заместваме масата на писалката, масата на молива във формулата, разделяме на квадрата на разстоянието между тях, като вземем предвид гравитационната константа, получаваме силата на тяхното взаимно привличане. Но ще излезе толкова малък (поради малките маси на химикала и молива), че не усещаме присъствието му. Друго нещо е, когато става дума за Земята и стола, или Слънцето и Земята. Масите са значителни, което означава, че вече можем да оценим ефекта на силата.
Нека помислим за ускорението на свободното падане. Това е действието на закона за привличането. Под действието на сила тялото променя скоростта толкова по-бавно, колкото по-голяма е масата. В резултат на това всички тела падат на Земята с еднакво ускорение.
Каква е причината за тази невидима уникална сила? Към днешна дата съществуването на гравитационно поле е известно и доказано. Повече за природата на гравитационното поле можете да научите в допълнителния материал по темата.
Помислете какво е гравитацията. От къде е? Какво представлява? В края на краищата не може планетата да гледа Слънцето, да вижда колко далеч е отдалечено, да изчислява обратния квадрат на разстоянието в съответствие с този закон?
Посока на гравитацията
Има две тела, да кажем тяло A и B. Тяло A привлича тяло B. Силата, с която действа тяло A, започва от тяло B и е насочена към тяло A. Тоест тя "взема" тяло B и го дърпа към себе си . Тяло B „прави“ същото с тяло A.
Всяко тяло е привлечено от Земята. Земята "поема" тялото и го дърпа към своя център. Следователно тази сила винаги ще бъде насочена вертикално надолу и се прилага от центъра на тежестта на тялото, нарича се гравитация.
Основното нещо, което трябва да запомните
Някои методи за геоложко проучване, прогнозиране на приливите и отливите и, по-скоро, изчисляване на движението на изкуствени спътници и междупланетни станции. Ранно изчисляване на позицията на планетите.
Можем ли сами да си направим такъв експеримент и да не гадаем дали планетите, обектите се привличат?
Такъв пряк опит, направен Кавендиш (Хенри Кавендиш (1731-1810) - английски физик и химик)с помощта на устройството, показано на фигурата. Идеята беше да окачите пръчка с две топки на много тънка кварцова нишка и след това да донесете две големи оловни топки отстрани на тях. Привличането на топките ще усуче леко нишката - леко, защото силите на привличане между обикновените предмети са много слаби. С помощта на такъв инструмент Кавендиш успява директно да измери силата, разстоянието и големината на двете маси и по този начин да определи гравитационна константа G.
Уникалното откритие на гравитационната константа G, която характеризира гравитационното поле в космоса, направи възможно определянето на масата на Земята, Слънцето и други небесни тела. Затова Кавендиш нарича опита си „претегляне на Земята“.
Интересното е, че различните закони на физиката имат някои общи черти. Нека се обърнем към законите на електричеството (силата на Кулон). Електрическите сили също са обратно пропорционални на квадрата на разстоянието, но вече между зарядите, и неволно възниква мисълта, че този модел има дълбок смисъл. Досега никой не е успял да представи гравитацията и електричеството като две различни проявления на една и съща същност.
Силата тук също варира обратно пропорционално на квадрата на разстоянието, но разликата в големината на електрическите сили и гравитационните сили е поразителна. Опитвайки се да установим общата природа на гравитацията и електричеството, откриваме такова превъзходство на електрическите сили над гравитационните сили, че е трудно да се повярва, че и двете имат един и същ източник. Как може да кажеш, че единият е по-силен от другия? В крайна сметка всичко зависи от това каква е масата и какъв е зарядът. Спорейки за това как действа силната гравитация, вие нямате право да кажете: „Да вземем маса с такъв и такъв размер“, защото вие сами го избирате. Но ако вземем това, което самата природа ни предлага (нейните собствени числа и мерки, които нямат нищо общо с нашите инчове, години, нашите мерки), тогава можем да сравним. Ще вземем елементарна заредена частица, като например електрон. Две елементарни частици, два електрона, поради електрическия заряд се отблъскват взаимно със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях, а поради гравитацията отново се привличат един към друг със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстояние.
Въпрос: Какво е отношението на гравитационната сила към електрическата сила? Гравитацията е свързана с електрическото отблъскване, както едно е с число с 42 нули. Това е дълбоко озадачаващо. Откъде може да дойде такъв огромен брой?
Хората търсят този огромен фактор в други природни явления. Те преминават през всякакви големи числа и ако искате голямо число, защо не вземете, да речем, съотношението на диаметъра на Вселената към диаметъра на един протон - изненадващо, това също е число с 42 нули. И те казват: може би този коефициент е равен на отношението на диаметъра на протона към диаметъра на Вселената? Това е интересна мисъл, но тъй като вселената постепенно се разширява, константата на гравитацията също трябва да се промени. Въпреки че тази хипотеза все още не е опровергана, ние не разполагаме с никакви доказателства в нейна полза. Напротив, някои доказателства предполагат, че константата на гравитацията не се е променила по този начин. Този огромен брой остава загадка и до днес.
Айнщайн трябваше да промени законите на гравитацията в съответствие с принципите на относителността. Първият от тези принципи гласи, че разстоянието x не може да бъде преодоляно моментално, докато според теорията на Нютон силите действат моментално. Айнщайн трябваше да промени законите на Нютон. Тези промени, подобрения са много малки. Едно от тях е следното: тъй като светлината има енергия, енергията е еквивалентна на масата и всички маси се привличат, светлината също привлича и следователно, преминавайки покрай Слънцето, трябва да се отклони. Ето как всъщност се случва. Силата на гравитацията също е леко модифицирана в теорията на Айнщайн. Но тази съвсем лека промяна в закона за гравитацията е достатъчна, за да обясни някои от очевидните нередности в движението на Меркурий.
Физическите явления в микрокосмоса са подчинени на други закони, отколкото явленията в света на големи мащаби. Възниква въпросът: как се проявява гравитацията в свят на малки мащаби? На него ще отговори квантовата теория на гравитацията. Но все още няма квантова теория за гравитацията. Хората все още не са постигнали голям успех в създаването на теория за гравитацията, която е напълно съвместима с принципите на квантовата механика и с принципа на несигурността.
Аристотел твърди, че масивните обекти падат на земята по-бързо от леките.
Галилей в началото на 17-ти век показа, че всички обекти падат "по един и същи начин". И приблизително по същото време Кеплер се чудеше какво кара планетите да се движат по орбитите си. Може би е магнетизъм? Исак Нютон, работейки върху "", сведе всички тези движения до действието на една единствена сила, наречена гравитация, която се подчинява на прости универсални закони.
Галилей експериментално показа, че пътят, изминат от тяло, падащо под въздействието на гравитацията, е пропорционален на квадрата на времето на падане: топка, падаща за две секунди, ще пътува четири пъти по-дълго от същия обект за една секунда. Галилей също показа, че скоростта е право пропорционална на времето на падане и от това заключи, че гюлето лети по параболична траектория - един от видовете конични сечения, като елипсите, по които според Кеплер се движат планетите . Но откъде идва тази връзка?
Когато университетът в Кеймбридж се затваря по време на Голямата чума в средата на 1660-те години, Нютон се завръща в семейния дом и формулира своя закон за гравитацията там, въпреки че го пази в тайна още 20 години. (Историята за падналата ябълка не беше чута, докато осемдесетгодишният Нютон не разказа историята след голяма вечеря.)
Той предположи, че всички обекти във Вселената генерират гравитационна сила, която привлича други обекти (точно както една ябълка е привлечена от Земята) и тази гравитационна сила определя траекториите, по които звездите, планетите и другите небесни тела се движат в космоса.
В последните си дни Исак Нютон разказва как се е случило: той се разхождал в ябълковата градина в имението на родителите си и изведнъж видял луната на дневното небе. И точно пред очите му една ябълка се откъсна от клона и падна на земята. Тъй като по същото време Нютон работеше върху законите на движението, той вече знаеше, че ябълката пада под въздействието на гравитационното поле на Земята. Той също така знаеше, че Луната не просто виси в небето, но се върти в орбита около Земята и следователно върху нея действа някаква сила, която я предпазва от излизане от орбитата и отлитане по права линия , в открито пространство. Тогава му хрумна, че може би същата сила кара и ябълката да падне на земята, и луната да остане в орбита около земята.
Закон на обратните квадрати
Нютон успя да изчисли величината на ускорението на Луната под въздействието на земната гравитация и установи, че то е хиляди пъти по-малко от ускорението на обекти (същата ябълка) близо до Земята. Как може да стане това, ако се движат под въздействието на една и съща сила?
Обяснението на Нютон е, че гравитацията отслабва с разстоянието. Обект на повърхността на Земята е 60 пъти по-близо до центъра на планетата от Луната. Привличането в орбитата на Луната е 1/3600 или 1/602 от това, което действа върху ябълката. Така силата на привличане между два обекта - било то Земята и ябълка, Земята и Луната или Слънцето и комета - е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието, което ги разделя. Удвоете разстоянието и силата се намалява с коефициент четири, утроете го - силата става девет пъти по-малка и т. н. Силата също зависи от масите на обектите - колкото по-голяма е масата, толкова по-силна е гравитацията.
Законът за всемирното притегляне може да се запише като формула:
F = G(Mm/r2).
Където: Гравитационната сила е равна на произведението на по-голямата маса Ми по-малко тегло мразделено на квадрата на разстоянието между тях r2и умножена по гравитационната константа, означена с главна буква Ж(малки букви жобозначава ускорението, причинено от гравитацията).
Тази константа определя привличането между всеки две маси навсякъде във Вселената. През 1789 г. тя е използвана за изчисляване на масата на Земята (6 1024 kg). Законите на Нютон са чудесни за предсказване на сили и движения в система от два обекта. Но когато се добави и трети, всичко става много по-сложно и води (след 300 години) до математиката на хаоса.
« Физика - 10 клас"
Защо луната се движи около земята?
Какво се случва, ако луната спре?
Защо планетите се въртят около слънцето?
В глава 1 беше обсъдено подробно, че земното кълбо придава едно и също ускорение на всички тела близо до повърхността на Земята - ускорението на свободното падане. Но ако земното кълбо придава ускорение на тялото, тогава, според втория закон на Нютон, то действа върху тялото с известна сила. Силата, с която земята действа върху тялото, се нарича земно притегляне. Първо, нека намерим тази сила и след това да разгледаме силата на универсалната гравитация.
Модулното ускорение се определя от втория закон на Нютон:
В общия случай зависи от силата, действаща върху тялото и неговата маса. Тъй като ускорението на свободното падане не зависи от масата, ясно е, че силата на гравитацията трябва да бъде пропорционална на масата:
Физическата величина е ускорението на свободното падане, то е постоянно за всички тела.
Въз основа на формулата F = mg можете да посочите прост и практически удобен метод за измерване на масите на телата чрез сравняване на масата на дадено тяло със стандартната единица за маса. Съотношението на масите на две тела е равно на съотношението на силите на гравитацията, действащи върху телата:
Това означава, че масите на телата са еднакви, ако силите на гравитацията, действащи върху тях, са еднакви.
Това е основата за определяне на масите чрез претегляне на пружинна или везна. Като се гарантира, че силата на натиск на тялото върху везните, равна на силата на гравитацията, приложена към тялото, се балансира от силата на натиск на тежестите върху другите везни, равна на силата на гравитацията, приложена към тежестите. , по този начин определяме масата на тялото.
Силата на гравитацията, действаща върху дадено тяло близо до Земята, може да се счита за постоянна само на определена географска ширина близо до земната повърхност. Ако тялото се повдигне или премести на място с различна географска ширина, тогава ускорението на свободното падане, а оттам и силата на гравитацията, ще се промени.
Силата на гравитацията.
Нютон е първият, който категорично доказва, че причината, която причинява падането на камък на Земята, движението на Луната около Земята и на планетите около Слънцето, е една и съща. то гравитационна силадействащи между всякакви тела на Вселената.
Нютон стига до извода, че ако не беше съпротивлението на въздуха, тогава траекторията на камък, хвърлен от висока планина (фиг. 3.1) с определена скорост, може да стане такава, че никога да не достигне повърхността на Земята, а ще се движат около него така, както планетите описват своите орбити в небето.
Нютон намери тази причина и успя точно да я изрази под формата на една формула - закона за всемирното привличане.
Тъй като силата на всемирната гравитация придава еднакво ускорение на всички тела, независимо от тяхната маса, тя трябва да бъде пропорционална на масата на тялото, върху което действа:
"Гравитацията съществува за всички тела като цяло и е пропорционална на масата на всяко от тях ... всички планети гравитират една към друга ..." I. Нютон
Но тъй като, например, Земята действа върху Луната със сила, пропорционална на масата на Луната, тогава Луната, според третия закон на Нютон, трябва да действа върху Земята със същата сила. Освен това тази сила трябва да е пропорционална на масата на Земята. Ако гравитационната сила е наистина универсална, тогава от страната на дадено тяло всяко друго тяло трябва да бъде въздействано от сила, пропорционална на масата на това друго тяло. Следователно силата на всемирната гравитация трябва да бъде пропорционална на произведението на масите на взаимодействащите тела. От това следва формулировката на закона за всемирното привличане.
Закон на гравитацията:
Силата на взаимно привличане на две тела е право пропорционална на произведението на масите на тези тела и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях:
Коефициентът на пропорционалност G се нарича гравитационна константа.
Гравитационната константа е числено равна на силата на привличане между две материални точки с маса 1 kg всяка, ако разстоянието между тях е 1 m. В края на краищата, с маси m 1 \u003d m 2 \u003d 1 kg и разстояние r \u003d 1 m, получаваме G \u003d F (числово).
Трябва да се има предвид, че законът за всемирното притегляне (3.4) като универсален закон е валиден за материалните точки. В този случай силите на гравитационното взаимодействие са насочени по линията, свързваща тези точки (фиг. 3.2, а).
Може да се покаже, че хомогенни тела с форма на топка (дори и да не могат да се считат за материални точки, фиг. 3.2, б) също взаимодействат със силата, определена от формула (3.4). В този случай r е разстоянието между центровете на топките. Силите на взаимно привличане лежат на права линия, минаваща през центровете на топките. Такива сили се наричат централен. Телата, чието падане на Земята обикновено разглеждаме, са много по-малки от радиуса на Земята (R ≈ 6400 km).
Такива тела, независимо от тяхната форма, могат да се разглеждат като материални точки и силата на тяхното привличане към Земята може да се определи по закона (3.4), като се има предвид, че r е разстоянието от даденото тяло до центъра на Земята.
Камък, хвърлен на Земята, ще се отклони под действието на гравитацията от права траектория и след като е описал извита траектория, накрая ще падне на Земята. Ако го хвърлите с по-голяма скорост, той ще падне още повече. I. Нютон
Дефиниция на гравитационната константа.
Сега нека разберем как можете да намерите гравитационната константа. Първо, имайте предвид, че G има конкретно име. Това се дължи на факта, че единиците (и съответно имената) на всички количества, включени в закона за всемирното привличане, вече са установени по-рано. Законът за гравитацията дава нова връзка между известни величини с определени имена на единици. Ето защо коефициентът се оказва наименована стойност. Използвайки формулата на закона за универсалната гравитация, е лесно да намерите името на единицата гравитационна константа в SI: N m 2 / kg 2 \u003d m 3 / (kg s 2).
За да се определи количествено G, е необходимо независимо да се определят всички количества, включени в закона за всемирното привличане: както маси, сила, така и разстояние между телата.
Трудността се състои в това, че гравитационните сили между телата с малки маси са изключително малки. Поради тази причина ние не забелязваме привличането на нашето тяло към околните обекти и взаимното привличане на обектите един към друг, въпреки че гравитационните сили са най-универсалните от всички сили в природата. Двама души с тегло 60 kg на разстояние 1 m един от друг се привличат със сила само около 10 -9 N. Следователно, за да се измери гравитационната константа, са необходими доста фини експерименти.
Гравитационната константа е измерена за първи път от английския физик Г. Кавендиш през 1798 г. с помощта на устройство, наречено торсионна везна. Схемата на торсионния баланс е показана на фигура 3.3. Лека кобилица с две еднакви тежести в краищата е окачена на тънка еластична нишка. Две тежки топки са неподвижно фиксирани наблизо. Между тежести и неподвижни топки действат гравитационни сили. Под въздействието на тези сили кобилицата се завърта и усуква нишката, докато получената еластична сила стане равна на гравитационната сила. Ъгълът на усукване може да се използва за определяне на силата на привличане. За да направите това, трябва само да знаете еластичните свойства на нишката. Масите на телата са известни и разстоянието между центровете на взаимодействащите тела може да бъде директно измерено.
От тези експерименти е получена следната стойност за гравитационната константа:
G \u003d 6,67 10 -11 N m 2 / kg 2.
Само в случай, че тела с огромни маси взаимодействат (или поне масата на едно от телата е много голяма), гравитационната сила достига голяма стойност. Например Земята и Луната се привличат една към друга със сила F ≈ 2 10 20 N.
Зависимост на ускорението на свободното падане на телата от географската ширина.
Една от причините за увеличаването на ускорението на свободното падане при преместване на точката, в която се намира тялото от екватора към полюсите, е, че земното кълбо е донякъде сплескано на полюсите и разстоянието от центъра на Земята до нейната повърхност на полюсите е по-малко, отколкото на екватора. Друга причина е въртенето на Земята.
Равенство на инертни и гравитационни маси.
Най-поразителното свойство на гравитационните сили е, че те придават еднакво ускорение на всички тела, независимо от техните маси. Какво бихте казали за футболист, чийто ритник би ускорил еднакво обикновена кожена топка и тежест от два килограма? Всеки ще каже, че е невъзможно. Но Земята е точно такъв „изключителен футболист“, с единствената разлика, че нейното въздействие върху телата няма характер на краткотрайно въздействие, а продължава непрекъснато в продължение на милиарди години.
В теорията на Нютон масата е източникът на гравитационното поле. Ние сме в гравитационното поле на Земята. В същото време ние също сме източници на гравитационното поле, но поради факта, че нашата маса е значително по-малка от масата на Земята, нашето поле е много по-слабо и околните обекти не реагират на него.
Необичайното свойство на гравитационните сили, както вече казахме, се обяснява с факта, че тези сили са пропорционални на масите на двете взаимодействащи тела. Масата на тялото, която е включена във втория закон на Нютон, определя инерционните свойства на тялото, т.е. способността му да придобие определено ускорение под действието на дадена сила. то инерционна масам и.
Изглежда, какво отношение може да има към способността на телата да се привличат? Масата, която определя способността на телата да се привличат е гравитационната маса m r .
От Нютоновата механика изобщо не следва, че инертната и гравитационната маса са еднакви, т.е.
m и = m r . (3,5)
Равенството (3.5) е пряко следствие от опита. Това означава, че може просто да се говори за масата на едно тяло като количествена мярка както за неговите инерционни, така и за гравитационни свойства.
Не само най-загадъчните природни силино и най-мощният.
Човек по пътя към прогреса
Исторически е така човекдокато се движите напред пътища на прогресаовладял все по-мощните сили на природата. Той започна, когато нямаше нищо друго освен пръчка в юмрука си и собствената си физическа сила.
Но той беше мъдър и приложи физическата сила на животните в своя служба, правейки ги домашни. Конят ускори бягането си, камилата направи пустинята проходима, слонът - блатистата джунгла. Но физическите сили дори на най-силните животни са неизмеримо малки в сравнение със силите на природата.
Първият човек покори елемента огън, но само в най-отслабените му версии. Първоначално - в продължение на много векове - той използва само дървесина като гориво - много нискоенергийно интензивен вид гориво. Малко по-късно той се научи да използва енергията на вятъра от този източник на енергия, човек вдигна бялото крило на платното във въздуха - и лек кораб прелетя като птица над вълните.
Платноходка по вълните
Той изложи остриетата на вятърната мелница на поривите на вятъра - и тежките камъни на воденичните камъни се завъртяха, пестиците на зърна затракаха. Но на всички е ясно, че енергията на въздушните струи далеч не е концентрирана. Освен това и платното, и вятърната мелница се страхуваха от вятърни удари: бурята разкъса платната и потопи корабите, бурята счупи крилата и преобърна мелниците.
Още по-късно човекът започва да завладява течащата вода. Колелото е не само най-примитивното устройство, способно да преобразува енергията на водата във въртеливо движение, но и най-слабото в сравнение с различни.
Човекът вървеше напред по стълбата на прогреса и се нуждаеше от все повече и повече енергия.
Той започна да използва нови видове гориво - вече преходът към изгаряне на въглища увеличи енергийната интензивност на килограм гориво от 2500 kcal на 7000 kcal - почти три пъти. Тогава дойде времето на петрола и газа. Отново, енергийното съдържание на всеки килограм изкопаемо гориво се е увеличило с един и половина до два пъти.
Парните двигатели бяха заменени от парни турбини; мелничните колела са заменени от хидравлични турбини. Тогава мъжът протегна ръка към делящия се атом на уран. Първото използване на нов вид енергия обаче има трагични последици – ядреният пламък в Хирошима през 1945 г. изпепелява 70 хиляди човешки сърца за минути.
През 1954 г. първата в света съветска атомна електроцентрала влиза в експлоатация, превръщайки силата на урана в силата на излъчване на електрически ток. И трябва да се отбележи, че един килограм уран съдържа два милиона пъти повече енергия от един килограм най-добър петрол.
Това беше принципно нов огън, който можеше да се нарече физически, защото именно физиците изследваха процесите, водещи до раждането на такива баснословни количества енергия.
Уранът не е единственото ядрено гориво. Вече се използва по-мощен вид гориво - водородни изотопи.
За съжаление, човек все още не е успял да покори водородно-хелиевия ядрен пламък. Той знае как моментално да запали своя всеизгарящ огън, подпалвайки реакцията във водородна бомба със светкавица на експлозия на уран. Но все по-близо и по-близо учените виждат водороден реактор, който ще генерира електрически ток в резултат на сливането на ядра от водородни изотопи в ядра на хелий.
Отново, количеството енергия, което човек може да вземе от всеки килограм гориво, ще се увеличи почти десетократно. Но дали тази стъпка ще бъде последната в бъдещата история на човешката власт над природните сили?
Не! Предстои - овладяването на гравитационната форма на енергия. Тя е дори по-предпазливо опакована от природата дори от енергията на водородно-хелиевия синтез. Днес това е най-концентрираната форма на енергия, за която човек може дори да се досети.
Там все още не се вижда нищо повече отвъд върховете на науката. И въпреки че можем уверено да кажем, че електроцентралите ще работят за човек, преработвайки гравитационната енергия в електрически ток (или може би в поток от газ, излитащ от дюзата на реактивен двигател, или в планираната трансформация на вездесъщите атоми на силиций и кислород в атоми на ултраредки метали), все още не можем да кажем нищо за детайлите на такава електроцентрала (ракетен двигател, физически реактор).
Силата на универсалната гравитация в началото на раждането на галактиките
Силата на универсалната гравитация е в основата на раждането на галактикитеот предзвездната материя, както е убеден академик В. А. Амбарцумян. Той също така угасва звездите, които са изгорели времето си, изразходвайки звездното гориво, определено им при раждането.
Да, огледайте се: всичко на Земята до голяма степен се контролира от тази сила.
Именно тя определя слоестата структура на нашата планета - редуването на литосферата, хидросферата и атмосферата. Именно тя пази дебел слой въздушни газове, на дъното на който и благодарение на който съществуваме всички ние.
Ако нямаше гравитация, Земята веднага щеше да излезе от орбитата си около Слънцето, а самото земно кълбо щеше да се разпадне, разкъсано от центробежни сили. Трудно е да се намери нещо, което в една или друга степен да не зависи от силата на всемирната гравитация.
Разбира се, древните философи, много наблюдателни хора, не можеха да не забележат, че хвърленият нагоре камък винаги се връща. Платон през 4-ти век пр. н. е. обяснява това с факта, че всички вещества във Вселената се стремят към мястото, където са концентрирани повечето подобни вещества: хвърлен камък пада на земята или отива на дъното, разлята вода се просмуква в най-близкото езерце или в река, която си проправя път към морето, димът от огън се втурва към сродните си облаци.
Ученикът на Платон, Аристотел, изясни, че всички тела имат специални свойства на тежест и лекота. Тежките тела - камъни, метали - се устремяват към центъра на Вселената, леките - огън, дим, изпарения - към периферията. Тази хипотеза, която обяснява някои от явленията, свързани със силата на всемирната гравитация, съществува повече от 2 хиляди години.
Учените за силата на гравитацията
Вероятно първият, който повдига въпроса за сила на гравитациятанаистина научен, беше геният на Ренесанса - Леонардо да Винчи. Леонардо провъзгласи, че гравитацията е характерна не само за Земята, че има много центрове на тежестта. И той също предположи, че силата на гравитацията зависи от разстоянието до центъра на тежестта.
Трудовете на Коперник, Галилей, Кеплер, Робърт Хук доближават все повече и повече до идеята за закона за всемирното привличане, но в окончателната си формулировка този закон завинаги се свързва с името на Исак Нютон.
Исак Нютон за силата на гравитацията
Роден на 4 януари 1643 г. Завършва университета в Кеймбридж, става бакалавър, след това - магистър на науките.
Исак Нютон Всичко, което следва, е безкрайно богатство от научни трудове. Но основният му труд е „Математически принципи на естествената философия“, публикуван през 1687 г. и обикновено наричан просто „Начала“. Именно в тях е формулирано великото. Вероятно всеки го помни от гимназията.
Всички тела се привличат едно към друго със сила, която е право пропорционална на произведението на масите на тези тела и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях ...
Някои разпоредби на тази формулировка биха могли да бъдат предвидени от предшествениците на Нютон, но тя все още не е дадена на никого в нейната цялост. Гениалността на Нютон беше необходима, за да събере тези фрагменти в едно цяло, за да разпространи привличането на Земята към Луната, а Слънцето - към цялата планетна система.
От закона за всемирното привличане Нютон извежда всички закони за движението на планетите, открити преди това от Кеплер. Те бяха просто неговите последствия. Освен това Нютон показа, че не само законите на Кеплер, но и отклоненията от тези закони (в света на три или повече тела) са резултат от универсалната гравитация ... Това беше голям триумф на науката.
Изглеждаше, че основната сила на природата, която движи световете, най-накрая беше открита и математически описана, силата, на която са подвластни молекулите на въздуха, ябълките и Слънцето. Гигантска, неизмеримо огромна беше стъпката на Нютон.
Първият популяризатор на работата на брилянтен учен, френският писател Франсоа Мари Аруе, световноизвестен под псевдонима Волтер, каза, че Нютон внезапно се досеща за съществуването на закон, кръстен на него, когато гледа падаща ябълка.
Самият Нютон никога не е споменавал тази ябълка. И едва ли си струва да губите време днес за опровергаването на тази красива легенда. И, очевидно, Нютон е стигнал до разбирането на великата сила на природата чрез логически разсъждения. Вероятно е включено в съответната глава на "Началата".
Силата на гравитацията влияе върху полета на ядрото
Да предположим, че на много висока планина, толкова висока, че върхът й вече е извън атмосферата, сме поставили гигантска артилерия. Цевта му беше поставена строго успоредно на повърхността на земното кълбо и изстреляна. Описване на дъгата ядрото пада на земята.
Увеличаваме заряда, подобряваме качеството на барута, по един или друг начин караме сърцевината да се движи с по-висока скорост след следващия изстрел. Дъгата, описана от ядрото, става по-плоска. Ядрото пада много по-далеч от подножието на нашата планина.
Ние също увеличаваме заряда и стреляме. Ядрото лети по толкова лека траектория, че се спуска успоредно на повърхността на земното кълбо. Ядрото вече не може да падне на Земята: със същата скорост, с която пада, Земята се измъква изпод него. И след като описа пръстена около нашата планета, ядрото се връща към началната точка.
Междувременно пистолетът може да бъде изваден. В крайна сметка полетът на ядрото около земното кълбо ще отнеме повече от час. И тогава ядрото бързо ще премине над върха на планината и ще отиде в нов кръг около Земята. Паднете, ако, както се съгласихме, ядрото не изпитва никакво въздушно съпротивление, то никога няма да може.
Скоростта на ядрото за това трябва да бъде близо до 8 км/сек. И ако увеличите скоростта на полета на ядрото? Първо ще лети в дъга, по-нежна от кривината на земната повърхност, и ще започне да се отдалечава от Земята. В същото време скоростта му под въздействието на земната гравитация ще намалее.
И накрая, обръщайки се, ще започне сякаш да пада обратно към Земята, но ще прелети покрай нея и вече няма да завърши кръг, а елипса. Ядрото ще се движи около Земята точно по същия начин, както Земята се движи около Слънцето, а именно по елипса, в един от фокусите на която ще бъде разположен центърът на нашата планета.
Ако увеличим допълнително началната скорост на ядрото, елипсата ще се окаже по-разтегната. Възможно е тази елипса да се разтегне по такъв начин, че ядрото да достигне лунната орбита или дори много по-далеч. Но докато първоначалната скорост на това ядро не надхвърли 11,2 km/s, то ще остане спътник на Земята.
Ядрото, което получи скорост от над 11,2 km / s при изстрел, завинаги ще отлети от Земята по параболична траектория. Ако елипсата е затворена крива, тогава параболата е крива, която има два клона, отиващи към безкрайността. Движейки се по една елипса, колкото и издължена да е тя, ние неизбежно систематично ще се връщаме към началната точка. Движейки се по парабола, никога няма да се върнем в началната точка.
Но след като напусна Земята с тази скорост, ядрото все още няма да може да лети до безкрайността. Мощната гравитация на Слънцето ще огъне траекторията на полета му, ще се затвори около себе си като траекторията на планета. Ядрото ще стане сестра на Земята, малка планета в нашето семейство от планети.
За да се насочи ядрото извън планетарната система, за да се преодолее слънчевото привличане, е необходимо да му се каже скорост над 16,7 km / s и да се насочи така, че скоростта на собственото движение на Земята да се добави към тази скорост .
Скорост от около 8 km / s (тази скорост зависи от височината на планината, от която стреля нашият пистолет) се нарича кръгова скорост, скорости от 8 до 11,2 km / s са елиптични, от 11,2 до 16,7 km / s са параболични, а над това число - освобождаващи скорости.
Тук трябва да се добави, че дадените стойности на тези скорости са валидни само за Земята. Ако живеехме на Марс, кръговата скорост щеше да бъде много по-лесна за постигане - там тя е само около 3,6 km/s, а параболичната скорост е само малко над 5 km/s.
От друга страна, би било много по-трудно да се изпрати ядрото в космически полет от Юпитер, отколкото от Земята: кръговата скорост на тази планета е 42,2 km / s, а параболичната скорост е дори 61,8 km / s!
Най-трудно би било за жителите на Слънцето да напуснат своя свят (ако, разбира се, такъв може да съществува). Кръговата скорост на този гигант трябва да бъде 437,6, а скоростта на отделяне - 618,8 km / s!
И така, Нютон в края на 17 век, сто години преди първия полет на балон с горещ въздух, пълен с топъл въздух от братя Монголфие, двеста години преди първите полети на самолета на братя Райт и почти една четвърт от хилядолетие преди излитането на първите течни ракети, посочи пътя към небето за сателити и космически кораби.
Силата на гравитацията е присъща на всяка сфера
Като се използва закон на гравитациятаоткрити са неизвестни планети, създадени са космогонични хипотези за произхода на Слънчевата система. Основната сила на природата, която контролира звездите, планетите, ябълките в градината и газовите молекули в атмосферата, е открита и математически описана.
Но ние не знаем механизма на универсалната гравитация. Нютоновата гравитация не обяснява, а визуално представя текущото състояние на планетарното движение.
Ние не знаем какво причинява взаимодействието на всички тела на Вселената. И не може да се каже, че Нютон не се е интересувал от тази причина. Дълги години той размишлява върху възможния му механизъм.
Между другото, това наистина е изключително мистериозна сила. Сила, която се проявява през стотици милиони километри пространство, лишено на пръв поглед от каквито и да било материални образувания, с помощта на които би могло да се обясни трансферът на взаимодействие.
Хипотези на Нютон
И нютонприбягна до хипотезаза съществуването на определен етер, който уж изпълва цялата Вселена. През 1675 г. той обяснява привличането към Земята с факта, че етерът, изпълващ цялата Вселена, се втурва към центъра на Земята в непрекъснати потоци, улавяйки всички обекти в това движение и създавайки гравитационна сила. Същият поток от етер се втурва към Слънцето и, увличайки планетите, кометите, осигурява техните елиптични траектории...
Това не беше много убедителна, макар и абсолютно математически логична хипотеза. Но сега, през 1679 г., Нютон създава нова хипотеза, обясняваща механизма на гравитацията. Този път той дарява етера със свойството да има различна концентрация в близост до планетите и далеч от тях. Колкото по-далеч от центъра на планетата, толкова етерът се предполага, че е по-плътен. И има свойството да изстисква всички материални тела от техните по-плътни слоеве в по-малко плътни. И всички тела са изстискани на повърхността на Земята.
През 1706 г. Нютон рязко отрича самото съществуване на етера. През 1717 г. той отново се връща към хипотезата за изстискването на етера.
Гениалният мозък на Нютон се бори за решението на великата мистерия и не го намира. Това обяснява такова рязко хвърляне от една страна на друга. Нютон казваше:
Не правя хипотези.
И въпреки че, както успяхме само да проверим, това не е съвсем вярно, определено можем да кажем нещо друго: Нютон е успял ясно да разграничи неща, които са безспорни, от нестабилни и противоречиви хипотези. И в Елементите има формула на великия закон, но няма опит да се обясни механизмът му.
Великият физик завеща тази загадка на човека от бъдещето. Умира през 1727 г.
Не е разгадана и до днес.
Дискусията за физическата същност на закона на Нютон отне два века. И може би тази дискусия нямаше да засяга самата същност на закона, ако той отговори точно на всички поставени му въпроси.
Но фактът е, че с времето се оказа, че този закон не е универсален. Че има случаи, когато той не може да обясни това или онова явление. Да дадем примери.
Силата на гравитацията в изчисленията на Seeliger
Първият от тях е парадоксът на Seeliger. Считайки, че Вселената е безкрайна и равномерно изпълнена с материя, Зилигер се опитва да изчисли, според закона на Нютон, универсалната гравитационна сила, създадена от цялата безкрайно голяма маса на безкрайната Вселена в дадена точка от нея.
Това не беше лесна задача от гледна точка на чистата математика. След като преодолява всички трудности на най-сложните трансформации, Зеелигер установява, че желаната сила на универсалната гравитация е пропорционална на радиуса на Вселената. И тъй като този радиус е равен на безкрайност, тогава гравитационната сила трябва да е безкрайно голяма. Това обаче не го виждаме на практика. Това означава, че законът за всемирното притегляне не важи за цялата Вселена.
Възможни са обаче и други обяснения на парадокса. Например, можем да предположим, че материята не изпълва равномерно цялата Вселена, но нейната плътност постепенно намалява и накрая някъде много далеч няма никаква материя. Но да си представим такава картина означава да допуснем възможността за съществуване на пространство без материя, което като цяло е абсурдно.
Можем да предположим, че силата на гравитацията отслабва по-бързо, отколкото се увеличава квадратът на разстоянието. Но това поставя под съмнение изненадващата хармония на закона на Нютон. Не, и това обяснение не задоволи учените. Парадоксът си остана парадокс.
Наблюдения на движението на Меркурий
Друг факт, действието на силата на всемирната гравитация, необяснено от закона на Нютон, доведе наблюдение на движението на Меркурий- най-близо до планетата. Точните изчисления според закона на Нютон показаха, че перехелионът - точката на елипсата, по която Меркурий се движи най-близо до Слънцето - трябва да се измести с 531 дъгови секунди за 100 години.
И астрономите са установили, че това изместване е равно на 573 дъгови секунди. Този излишък - 42 дъгови секунди - също не може да бъде обяснен от учените, като се използват само формули, произтичащи от закона на Нютон.
Той обясни и парадокса на Зилигер, и изместването на перхелиона на Меркурий, и много други парадоксални явления и необясними факти Алберт Айнщайн, един от най-великите, ако не и най-великият физик на всички времена. Сред досадните дребни неща беше въпросът за ефирен вятър.
Експерименти на Алберт Майкелсън
Изглежда, че този въпрос не засяга пряко проблема с гравитацията. Имаше отношение към оптиката, към светлината. По-точно към определянето на скоростта му.
Датският астроном е първият, който определи скоростта на светлината. Олаф Ремернаблюдавайки затъмнението на луните на Юпитер. Това се случва още през 1675 г.
американски физик Алберт Майкелсънв края на 18-ти век той провежда серия от определяния на скоростта на светлината при земни условия, използвайки апарата, който е проектирал.
През 1927 г. той дава скоростта на светлината като 299796 + 4 km/s, което е отлична точност за онези времена. Но същността на въпроса е друга. През 1880 г. той решава да изследва ефирния вятър. Той искаше най-накрая да установи съществуването на същия този етер, с присъствието на който се опитваха да обяснят както предаването на гравитационното взаимодействие, така и предаването на светлинните вълни.
Майкелсън е може би най-забележителният експериментатор на своето време. Имаше отлично оборудване. И беше почти сигурен в успеха.
Същност на опита
Опитбеше замислен така. Земята се движи по своята орбита със скорост около 30 км/сек.. Движи се във въздуха. Това означава, че скоростта на светлината от източник, който е пред приемника спрямо движението на Земята, трябва да бъде по-голяма от тази от източник, който е от другата страна. В първия случай скоростта на ефирния вятър трябва да се добави към скоростта на светлината, във втория случай скоростта на светлината трябва да се намали с тази стойност.
Разбира се, скоростта на Земята в нейната орбита около Слънцето е само една десет хилядна от скоростта на светлината. Намирането на такъв малък термин е много трудно, но Майкелсън беше наречен кралят на точността с причина. Той използва гениален начин да улови "неуловимата" разлика в скоростите на светлинните лъчи.
Той раздели лъча на два равни потока и ги насочи във взаимно перпендикулярни посоки: по меридиана и по паралела. Отразени от огледалата, лъчите се върнаха. Ако вървящият по паралела лъч е изпитал влиянието на ефирния вятър, при добавянето му към меридионалния лъч би трябвало да възникнат интерферентни ивици, вълните на двата лъча биха били изместени във фаза.
Въпреки това, за Майкелсън беше трудно да измери пътищата на двата лъча с такава голяма точност, така че да са абсолютно еднакви. Затова той построи апарата така, че да няма интерферентни ивици, след което го завъртя на 90 градуса.
Меридионалният лъч стана широчинен и обратно. Ако има ефирен вятър, под окуляра трябва да се появят черни и светли ивици! Но не бяха. Може би при завъртане на устройството ученият го е преместил.
Сложи го по обяд и го оправи. В крайна сметка, освен това, той също се върти около ос. И следователно в различни часове на деня широчинният лъч заема различна позиция спрямо настъпващия ефирен вятър. Сега, когато апаратът е строго неподвижен, човек може да се убеди в точността на експеримента.
Отново нямаше интерферентни ивици. Експериментът е провеждан многократно и Майкелсън, а с него и всички физици от онова време, са изумени. Ефирният вятър не беше засечен! Светлината пътува във всички посоки с еднаква скорост!
Никой не е успял да обясни това. Майкелсън повтаря експеримента отново и отново, подобрява оборудването и накрая постига почти невероятна точност на измерване, с порядък по-голям от необходимия за успеха на експеримента. И пак нищо!
Експерименти на Алберт Айнщайн
Следващата голяма стъпка в познания за силата на гравитациятаНаправих Алберт Айнщайн.
Веднъж попитаха Алберт Айнщайн:
Как стигнахте до вашата специална теория на относителността? При какви обстоятелства ви хрумна гениална идея? Ученият отговори: „Винаги ми е изглеждало, че това е така.
Може би не искаше да бъде откровен, може би искаше да се отърве от досадния събеседник. Но е трудно да си представим, че идеята на Айнщайн за връзките между времето, пространството и скоростта е вродена.
Не, разбира се, отначало имаше предчувствие, ярко като светкавица. Тогава започна разработката. Не, няма противоречия с известни явления. И тогава се появиха онези пет страници, пълни с формули, които бяха публикувани във физически журнал. Страници, които откриха нова ера във физиката.
Представете си космически кораб, който лети през космоса. Веднага ще ви предупредим: космическият кораб е много странен, такъв, за който не сте чели в научнофантастичните истории. Дължината му е 300 хиляди километра, а скоростта му е, да речем, 240 хиляди км / сек. И този космически кораб лети покрай една от междинните платформи в космоса, без да спира на нея. На пълна скорост.
Един от пътниците стои на палубата на космическия кораб с часовник. И ние с теб, читателю, стоим на платформа - нейната дължина трябва да съответства на размера на звезден кораб, тоест 300 хиляди километра, иначе няма да може да се придържа към нея. И ние също имаме часовник в ръцете си.
Забелязваме, че в момента, когато носът на кораба се докосна до задния ръб на нашата платформа, върху него проблесна фенер, осветяващ пространството около него. Секунда по-късно лъч светлина достигна предния ръб на нашата платформа. Не се съмняваме в това, защото знаем скоростта на светлината и сме успели да определим точно съответния момент на часовника. И на звезден кораб...
Но звездният кораб също полетя към лъча светлина. И съвсем определено видяхме, че светлината освети кърмата му в момента, когато беше някъде близо до средата на платформата. Определено видяхме, че лъчът светлина не покрива 300 хиляди километра от носа до кърмата на кораба.
Но пътниците на палубата на звездолета са сигурни в друго. Те са сигурни, че техният лъч е покрил цялото разстояние от носа до кърмата от 300 хиляди километра. В края на краищата той отдели цяла секунда за това. Те също го записаха абсолютно точно на часовниците си. И как би могло да бъде иначе: в крайна сметка скоростта на светлината не зависи от скоростта на източника ...
Как така? Ние виждаме едно нещо от фиксирана платформа, а друго за тях на палубата на космически кораб? Какъв е проблема?
Теорията на относителността на Айнщайн
Веднага трябва да се отбележи: Теорията на относителността на Айнщайнна пръв поглед той абсолютно противоречи на установената ни представа за устройството на света. Можем да кажем, че противоречи и на здравия разум, както сме свикнали да го представяме. Това се е случвало много пъти в историята на науката.
Но откриването на сферичността на Земята противоречи на здравия разум. Как хората да живеят от другата страна и да не паднат в бездната?
За нас сферичността на Земята е несъмнен факт и от гледна точка на здравия разум всяко друго предположение е безсмислено и диво. Но се отдръпнете от времето си, представете си първата поява на тази идея и ще разберете колко трудно би било да я приемете.
Е, по-лесно ли беше да признаем, че Земята не е неподвижна, а лети по траекторията си десетки пъти по-бързо от гюле?
Всичко това бяха останки от здравия разум. Следователно съвременните физици никога не го споменават.
Сега да се върнем към специалната теория на относителността. Светът я разпознава за първи път през 1905 г. от статия, подписана от малко известно име - Алберт Айнщайн. А той беше само на 26 години по това време.
Айнщайн направи много просто и логично предположение от този парадокс: от гледна точка на наблюдател на платформата, в движеща се кола е изминало по-малко време, отколкото е измерил вашият ръчен часовник. В колата времето се забави в сравнение с времето на неподвижната платформа.
От това предположение логично следват доста невероятни неща. Оказа се, че човек, който пътува за работа в трамвая, в сравнение с пешеходеца, който върви по същия начин, не само спестява време поради скоростта, но и той върви по-бавно за него.
Не се опитвайте обаче да запазите вечната младост по този начин: дори да станете файтонджия и да прекарате една трета от живота си в трамвая, след 30 години едва ли ще спечелите повече от една милионна от секундата. За да стане забележима печалбата във времето, е необходимо да се движите със скорост, близка до скоростта на светлината.
Оказва се, че увеличаването на скоростта на телата се отразява в тяхната маса. Колкото по-близо е скоростта на едно тяло до скоростта на светлината, толкова по-голяма е неговата маса. При скорост на тялото, равна на скоростта на светлината, неговата маса е равна на безкрайност, тоест тя е по-голяма от масата на Земята, Слънцето, Галактиката, цялата ни Вселена ... Ето колко маса може да се концентрира в обикновен калдъръм, ускорявайки го до скорост
Света!
Това налага ограничение, което не позволява на нито едно материално тяло да развива скорост, равна на скоростта на светлината. В края на краищата, с нарастването на масата става все по-трудно да се разпръсне. А една безкрайна маса не може да бъде преместена от никаква сила.
Природата обаче е направила много важно изключение от този закон за цял клас частици. Например за фотони. Те могат да се движат със скоростта на светлината. По-точно, те не могат да се движат с друга скорост. Немислимо е да си представим неподвижен фотон.
Когато е неподвижен, той няма маса. Освен това неутриното нямат маса на покой и също така са обречени на вечен необуздан полет в космоса с максималната възможна скорост в нашата Вселена, без да изпреварват светлината и да се справят с нея.
Не е ли вярно, че всяко едно от изброените от нас следствия на специалната теория на относителността е изненадващо, парадоксално! И всеки, разбира се, противоречи на "здравия разум"!
Но ето какво е интересно: не в конкретната си форма, а като широка философска позиция всички тези удивителни последствия са предсказани от основателите на диалектическия материализъм. Какво казват тези изводи? За връзките, които свързват енергия и маса, маса и скорост, скорост и време, скорост и дължина на движещ се обект...
Откритието на Айнщайн за взаимозависимостта, подобно на цимента (още:), свързването на арматура или основите, свързва заедно неща и явления, които преди са изглеждали независими едно от друго, и създава основата, върху която за първи път в историята на науката е възможно изграждането на хармонична сграда. Тази сграда е представяне на това как работи нашата вселена.
Но първо, поне няколко думи за общата теория на относителността, създадена също от Алберт Айнщайн.
Алберт Айнщайн Това име - общата теория на относителността - не отговаря съвсем на съдържанието на теорията, за която ще стане дума. Установява взаимозависимостта между пространството и материята. Явно би било по-правилно да го наречем теория на пространство-времето, или теория на гравитацията.
Но това име е толкова тясно свързано с теорията на Айнщайн, че дори повдигането на въпроса за замяната му сега изглежда неприлично за много учени.
Общата теория на относителността установява взаимозависимостта между материята и времето и пространството, които я съдържат. Оказа се, че пространството и времето не само не могат да се представят като съществуващи отделно от материята, но техните свойства зависят и от материята, която ги изпълва.
Отправна точка на дискусията
Следователно може само да се конкретизира отправна точка на дискусиятаи направи някои важни изводи.
В началото на космическото пътуване неочаквана катастрофа унищожи библиотеката, филмовия фонд и други хранилища на ума, паметта на хората, летящи през космоса. И природата на родната планета е забравена в смяната на вековете. Дори законът за всемирното притегляне е забравен, защото ракетата лети в междугалактическото пространство, където почти не се усеща.
Двигателите на кораба обаче работят превъзходно, запасът от енергия в батериите е практически неограничен. През повечето време корабът се движи по инерция, а обитателите му са свикнали с безтегловност. Но понякога включват двигателите и забавят или ускоряват движението на кораба. Когато реактивните дюзи пламват в празнотата с безцветен пламък и корабът се движи с ускорена скорост, обитателите чувстват, че телата им стават тежки, те са принудени да се разхождат из кораба, а не да летят през коридорите.
И сега полетът е близо до завършване. Корабът лети до една от звездите и попада в орбитите на най-подходящата планета. Звездолетите изгасват, вървят по свежа зелена земя, постоянно изпитвайки същото чувство на тежест, познато от времето, когато корабът се движеше с ускорени темпове.
Но планетата се движи равномерно. Не може да лети към тях с постоянно ускорение от 9,8 m/s2! И те имат първото предположение, че гравитационното поле (гравитационната сила) и ускорението дават един и същ ефект и може би имат обща природа.
Никой от нашите земни съвременници не е бил на толкова дълъг полет, но много хора са усетили феномена на „утежняване“ и „олекотяване“ на телата си. Вече обикновен асансьор, когато се движи с ускорени темпове, създава това усещане. При слизане усещате внезапна загуба на тегло, при изкачване, напротив, подът притиска краката ви с по-голяма сила от обикновено.
Но едно чувство не доказва нищо. В крайна сметка усещанията се опитват да ни убедят, че Слънцето се движи в небето около неподвижната Земя, че всички звезди и планети са на еднакво разстояние от нас, на небесния свод и т.н.
Учените подложиха усещанията на експериментална проверка. Дори Нютон се замисля за странната идентичност на двата феномена. Той се опита да им даде числени характеристики. След като измери гравитационните и , той беше убеден, че техните стойности винаги са строго равни една на друга.
От каквито и да било материали е направил махалата на пилотната инсталация: от сребро, олово, стъкло, сол, дърво, вода, злато, пясък, жито. Резултатът беше същият.
Принцип на еквивалентността, за която говорим, е в основата на общата теория на относителността, въпреки че съвременната интерпретация на теорията вече не се нуждае от този принцип. Пропускайки математическите изводи, които следват от този принцип, нека пристъпим директно към някои следствия от общата теория на относителността.
Наличието на големи маси материя силно влияе на околното пространство. Това води до такива промени в него, които могат да бъдат определени като нееднородности на пространството. Тези нехомогенности насочват движението на всякакви маси, които са близо до привличащото тяло.
Обикновено прибягват до такава аналогия. Представете си платно, опънато плътно върху рамка, успоредна на земната повърхност. Поставете голяма тежест върху него. Това ще бъде нашата голяма притегателна маса. Тя, разбира се, ще огъне платното и ще се окаже в някаква вдлъбнатина. Сега завъртете топката върху това платно по такъв начин, че част от нейния път да лежи до привличащата маса. В зависимост от начина на изстрелване на топката са възможни три варианта.
- Топката ще лети достатъчно далеч от вдлъбнатината, създадена от отклонението на платното, и няма да промени движението си.
- Топката ще докосне вдлъбнатината и линиите на нейното движение ще се огънат към привличащата маса.
- Топката ще попадне в тази дупка, няма да може да излезе от нея и ще направи едно или две завъртания около гравитиращата маса.
Не е ли вярно, че третият вариант много красиво моделира улавянето от звезда или планета на чуждо тяло, небрежно влетяло в тяхното поле на привличане?
И вторият случай е огъване на траекторията на тяло, летящо със скорост, по-голяма от възможната скорост на улавяне! Първият случай е подобен на летене извън практическия обсег на гравитационното поле. Да, практично е, защото теоретично гравитационното поле е неограничено.
Разбира се, това е много далечна аналогия, най-вече защото никой не може наистина да си представи отклонението на нашето триизмерно пространство. Какъв е физическият смисъл на тази деформация или кривина, както често се казва, никой не знае.
От общата теория на относителността следва, че всяко материално тяло може да се движи в гравитационно поле само по криви линии. Само в отделни, специални случаи кривата се превръща в права линия.
Светлинният лъч също се подчинява на това правило. В края на краищата той се състои от фотони, които имат определена маса в полет. И гравитационното поле оказва влияние върху него, както и върху молекула, астероид или планета.
Друг важен извод е, че гравитационното поле също променя хода на времето. В близост до голяма привличаща маса, в силно гравитационно поле, създадено от нея, времето трябва да тече по-бавно, отколкото далеч от нея.
Виждате ли, и общата теория на относителността е изпълнена с парадоксални заключения, които могат да преобръщат представите ни за „здрав разум“ отново и отново!
Гравитационен колапс
Нека поговорим за удивително явление от космическа природа - за гравитационен колапс (катастрофално свиване). Това явление се случва в гигантски натрупвания на материя, където гравитационните сили достигат толкова огромни величини, че никакви други сили, съществуващи в природата, не могат да им устоят.
Спомнете си известната формула на Нютон: колкото по-голяма е силата на гравитацията, толкова по-малък е квадратът на разстоянието между гравитиращите тела. Така, колкото по-плътно става материалното образувание, колкото по-малък е размерът му, толкова по-бързо нарастват гравитационните сили, толкова по-неизбежна е тяхната разрушителна прегръдка.
Има хитра техника, чрез която природата се бори с привидно безграничното компресиране на материята. За да направи това, той спира самия ход на времето в сферата на действие на свръхгигантските гравитационни сили и оковите маси от материя са сякаш изключени от нашата Вселена, замръзнали в странен летаргичен сън.
Първата от тези "черни дупки" на космоса вероятно вече е открита. Според предположението на съветските учени О. Х. Хусейнов и А. Ш. Новрузова, това е делтата на Близнаци - двойна звезда с един невидим компонент.
Видимият компонент има маса 1,8 слънчеви, а невидимият му "партньор" според изчисленията трябва да бъде четири пъти по-масивен от видимия. Но от него няма следи: невъзможно е да се види най-удивителното творение на природата, "черната дупка".
Съветският учен професор К. П. Станюкович, както се казва, „на върха на писалката“, чрез чисто теоретични конструкции показа, че частиците на „замръзналата материя“ могат да бъдат много различни по размер.
- Възможни са нейни гигантски образувания, подобни на квазари, непрекъснато излъчващи толкова енергия, колкото излъчват всички 100 милиарда звезди на нашата Галактика.
- Възможни са много по-скромни групи, равни само на няколко слънчеви маси. И тези, и други обекти могат да възникнат сами от обикновена, а не "спяща" материя.
- И са възможни образувания от съвсем различен клас, съизмерими по маса с елементарните частици.
За да възникнат, е необходимо първо материята, която ги изгражда, да бъде подложена на гигантски натиск и да бъде закарана в пределите на сферата на Шварцшилд – сфера, в която времето за външен наблюдател спира напълно. И дори ако след това налягането дори бъде премахнато, частиците, за които времето е спряло, ще продължат да съществуват независимо от нашата Вселена.
планкеони
Планкеоните са много специален клас частици. Те притежават, според К. П. Станюкович, изключително интересно свойство: носят материята в себе си в непроменен вид, такава, каквато е била преди милиони и милиарди години. Поглеждайки вътре в планкеона, можем да видим материята такава, каквато е била по времето на раждането на нашата вселена. Според теоретични изчисления във Вселената има около 1080 планкеона, приблизително един планкеон в куб пространство със страна 10 сантиметра. Между другото, по същото време като Станюкович и (независимо от него, хипотезата за планкеоните е изложена от академик М.А. Марков. Само Марков им дава друго име - максимони.
Специалните свойства на планкеоните също могат да се използват за обяснение на понякога парадоксални трансформации на елементарни частици. Известно е, че когато две частици се сблъскат, никога не се образуват фрагменти, а възникват други елементарни частици. Това е наистина удивително: в обикновения свят, счупвайки ваза, никога няма да получим цели чаши или дори розетки. Но да предположим, че в дълбините на всяка елементарна частица има планкеон, един или няколко, а понякога и много планкеони.
В момента на сблъсък на частици, плътно завързаната "чанта" на планкеона се отваря леко, някои частици ще "попаднат" в нея и вместо да "изскочат" тези, които считаме за възникнали по време на сблъсъка. В същото време планкеонът, като усърден счетоводител, ще осигури всички "закони за запазване", приети в света на елементарните частици.
Е, какво общо има с това механизмът на всемирната гравитация?
„Отговорни“ за гравитацията, според хипотезата на К. П. Станюкович, са миниатюрни частици, така наречените гравитони, непрекъснато излъчвани от елементарни частици. Гравитоните са толкова по-малки от последните, колкото прашинка, танцуваща в слънчев лъч, е по-малка от земното кълбо.
Излъчването на гравитоните се подчинява на редица закономерности. По-специално, те са по-лесни за летене в този регион на космоса. Което съдържа по-малко гравитони. Това означава, че ако в космоса има две небесни тела, и двете ще излъчват гравитони предимно „навън“, в посоки, противоположни една на друга. Това създава импулс, който кара телата да се приближават едно към друго, да се привличат.
Исак Нютон предполага, че между всички тела в природата съществуват сили на взаимно привличане. Тези сили се наричат гравитационни силиили сили на гравитацията. Силата на неудържимата гравитация се проявява в космоса, Слънчевата система и на Земята.
Закон за гравитацията
Нютон обобщи законите за движение на небесните тела и установи, че силата \ (F \) е равна на:
\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
където \(m_1 \) и \(m_2 \) са масите на взаимодействащи тела, \(R \) е разстоянието между тях, \(G \) е коефициентът на пропорционалност, който се нарича гравитационна константа. Числената стойност на гравитационната константа е експериментално определена от Кавендиш, измервайки силата на взаимодействие между оловните топки.
Физическото значение на гравитационната константа следва от закона за всемирното привличане. Ако \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , тогава \(G = F \) , т.е. гравитационната константа е равна на силата, с която две тела от 1 kg се привличат на разстояние 1 m.
Числова стойност:
\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .
Силите на универсалната гравитация действат между всички тела в природата, но те стават осезаеми при големи маси (или ако поне масата на едно от телата е голяма). Законът за всемирното притегляне се изпълнява само за материални точки и топки (в този случай за разстояние се приема разстоянието между центровете на топките).
Земно притегляне
Специален вид универсална гравитационна сила е силата на привличане на телата към Земята (или към друга планета). Тази сила се нарича земно притегляне. Под действието на тази сила всички тела придобиват ускорение на свободно падане.
Според втория закон на Нютон \(g = F_T /m \) , следователно \(F_T = mg \) .
Ако M е масата на Земята, R е нейният радиус, m е масата на даденото тяло, тогава силата на гравитацията е равна на
\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
Силата на гравитацията винаги е насочена към центъра на Земята. В зависимост от височината \ (h \) над земната повърхност и географската ширина на положението на тялото, ускорението на свободното падане придобива различни стойности. На повърхността на Земята и в средните географски ширини ускорението на свободното падане е 9,831 m/s 2 .
Телесно тегло
В технологиите и ежедневието понятието телесно тегло се използва широко.
Телесно теглоозначено с \(P \) . Единицата за тегло е нютон (N). Тъй като теглото е равно на силата, с която тялото действа върху опората, тогава, в съответствие с третия закон на Нютон, теглото на тялото е равно по големина на силата на реакция на опората. Следователно, за да се намери теглото на тялото, е необходимо да се определи на какво е равна силата на реакция на опората.
Предполага се, че тялото е неподвижно спрямо опората или окачването.
Теглото на тялото и гравитацията се различават по природа: телесното тегло е проява на действието на междумолекулните сили, а гравитацията има гравитационен характер.
Състоянието на тялото, при което теглото му е нула, се нарича безтегловност. Състоянието на безтегловност се наблюдава в самолет или космически кораб при движение с ускорение на свободно падане, независимо от посоката и стойността на скоростта на тяхното движение. Извън земната атмосфера, когато реактивните двигатели са изключени, върху космическия кораб действа само силата на всемирната гравитация. Под действието на тази сила космическият кораб и всички тела в него се движат с еднакво ускорение, така че в кораба се наблюдава състояние на безтегловност.
Javascript е деактивиран във вашия браузър.ActiveX контролите трябва да са активирани, за да се правят изчисления!
