Newtonova klasična teorija gravitacije. Šta je zakon univerzalne gravitacije: formula velikog otkrića
Po kom zakonu ćeš me obesiti?
- I sve vješamo po jednom zakonu - zakonu univerzalne gravitacije.
Zakon gravitacije
Fenomen gravitacije je zakon univerzalne gravitacije. Dva tijela djeluju jedno na drugo silom koja je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih i direktno proporcionalna proizvodu njihovih masa.
Matematički, ovaj veliki zakon možemo izraziti formulom
Gravitacija djeluje na ogromnim udaljenostima u svemiru. Ali Newton je tvrdio da se svi objekti međusobno privlače. Je li istina da se bilo koja dva objekta privlače? Zamislite samo, poznato je da vas Zemlja privlači sjedeći na stolici. Ali da li ste ikada razmišljali o tome da se računar i miš privlače? Ili olovka i olovka na stolu? U ovom slučaju u formulu zamjenjujemo masu olovke, masu olovke, podijelimo s kvadratom udaljenosti između njih, uzimajući u obzir gravitacijsku konstantu, dobivamo silu njihovog međusobnog privlačenja. Ali, izaći će tako mali (zbog male mase olovke i olovke) da nećemo osjetiti njegovo prisustvo. Druga stvar je kada su u pitanju Zemlja i stolica, ili Sunce i Zemlja. Mase su značajne, što znači da već možemo procijeniti djelovanje sile.
Razmislimo o ubrzanju slobodnog pada. Ovo je djelovanje zakona privlačenja. Pod dejstvom sile telo menja brzinu što je sporije što je masa veća. Kao rezultat, sva tijela padaju na Zemlju istim ubrzanjem.
Šta je uzrok ove nevidljive jedinstvene moći? Do danas je poznato i dokazano postojanje gravitacionog polja. Više o prirodi gravitacionog polja možete saznati u dodatnom materijalu na temu.
Razmislite šta je gravitacija. odakle je? Šta to predstavlja? Uostalom, ne može biti da planeta gleda u Sunce, vidi koliko je udaljena, izračunava inverzni kvadrat udaljenosti u skladu s ovim zakonom?
Smjer gravitacije
Postoje dva tijela, recimo tijelo A i B. Tijelo A privlači tijelo B. Sila kojom tijelo A djeluje počinje na tijelo B i usmjerava se prema tijelu A. Odnosno, ono "uzme" tijelo B i vuče ga prema sebi . Tijelo B "radi" istu stvar sa tijelom A.
Svako tijelo privlači zemlja. Zemlja "uzima" telo i vuče ga ka svom centru. Stoga će ova sila uvijek biti usmjerena okomito naniže, a primjenjuje se iz težišta tijela, zove se gravitacija.
Glavna stvar koju treba zapamtiti
Neke metode geoloških istraživanja, predviđanja plime i oseke i, u novije vrijeme, proračuna kretanja umjetnih satelita i međuplanetarnih stanica. Rano izračunavanje položaja planeta.
Možemo li sami postaviti takav eksperiment, a ne nagađati da li se planete, objekti privlače?
Tako direktno iskustvo napravljeno Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) - engleski fizičar i hemičar) pomoću uređaja prikazanog na slici. Ideja je bila da se okači štap sa dve kuglice na vrlo tanak kvarcni konac, a zatim dovedu dve velike olovne kugle sa strane. Privlačenje kuglica će lagano uvijati nit - blago, jer su sile privlačenja između običnih predmeta vrlo slabe. Uz pomoć takvog instrumenta, Cavendish je mogao direktno izmjeriti silu, udaljenost i veličinu obje mase i tako odrediti gravitaciona konstanta G.
Jedinstveno otkriće gravitacione konstante G, koja karakteriše gravitaciono polje u svemiru, omogućilo je određivanje mase Zemlje, Sunca i drugih nebeskih tela. Stoga je Cavendish svoje iskustvo nazvao "vaganjem Zemlje".
Zanimljivo je da različiti zakoni fizike imaju neke zajedničke karakteristike. Okrenimo se zakonima elektriciteta (Kulonova sila). Električne sile su također obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti, ali već između naboja, i nehotice se javlja misao da ovaj obrazac ima duboko značenje. Do sada niko nije mogao da predstavi gravitaciju i elektricitet kao dve različite manifestacije iste suštine.
Sila ovdje također varira obrnuto s kvadratom udaljenosti, ali je razlika u veličini električnih sila i gravitacijskih sila upadljiva. Pokušavajući da ustanovimo zajedničku prirodu gravitacije i elektriciteta, nalazimo takvu superiornost električnih sila nad gravitacionim silama da je teško poverovati da obe imaju isti izvor. Kako možete reći da je jedan jači od drugog? Na kraju krajeva, sve zavisi od toga kolika je masa, a šta naelektrisanje. Raspravljajući o tome koliko snažna gravitacija djeluje, nemate pravo reći: "Uzmimo masu te i te veličine", jer je sami birate. Ali ako uzmemo ono što nam sama priroda nudi (njene vlastite brojeve i mjere, koje nemaju nikakve veze s našim inčima, godinama, našim mjerama), onda možemo usporediti. Uzet ćemo elementarnu nabijenu česticu, kao što je, na primjer, elektron. Dvije elementarne čestice, dva elektrona, zbog električnog naboja se međusobno odbijaju silom obrnuto proporcionalnom kvadratu udaljenosti između njih, a zbog gravitacije se ponovo privlače jedan drugom silom obrnuto proporcionalnom kvadratu razdaljina.
Pitanje: Koliki je omjer gravitacione sile i električne sile? Gravitacija je povezana s električnim odbijanjem, kao što je jedinica za broj sa 42 nule. Ovo je duboko zbunjujuće. Odakle bi mogao doći toliki broj?
Ljudi traže ovaj ogroman faktor u drugim prirodnim fenomenima. Oni prolaze kroz razne vrste velikih brojeva, a ako želite veliki broj, zašto ne uzmete, recimo, odnos prečnika univerzuma i prečnika protona - iznenađujuće, ovo je takođe broj sa 42 nule. I kažu: možda je ovaj koeficijent jednak omjeru prečnika protona i prečnika svemira? Ovo je zanimljiva misao, ali kako se svemir postepeno širi, konstanta gravitacije se također mora promijeniti. Iako ova hipoteza još nije opovrgnuta, nemamo nikakvih dokaza u njenu korist. Naprotiv, neki dokazi sugeriraju da se konstanta gravitacije nije promijenila na ovaj način. Ovaj ogroman broj ostaje misterija do danas.
Ajnštajn je morao da modifikuje zakone gravitacije u skladu sa principima relativnosti. Prvi od ovih principa kaže da se rastojanje x ne može savladati trenutno, dok prema Newtonovoj teoriji sile djeluju trenutno. Ajnštajn je morao da promeni Njutnove zakone. Ove promjene, dorade su vrlo male. Jedna od njih je ova: pošto svetlost ima energiju, energija je ekvivalentna masi, a sve mase se privlače, svetlost takođe privlači i, stoga, prolazeći pored Sunca, mora da se odbije. Ovako se to zapravo dešava. Sila gravitacije je takođe malo modifikovana u Ajnštajnovoj teoriji. Ali ova vrlo mala promjena u zakonu gravitacije je sasvim dovoljna da objasni neke od očiglednih nepravilnosti u kretanju Merkura.
Fizičke pojave u mikrokosmosu podliježu drugim zakonima osim pojava u svijetu velikih razmjera. Postavlja se pitanje: kako se gravitacija manifestira u svijetu malih razmjera? Kvantna teorija gravitacije će odgovoriti na to. Ali još ne postoji kvantna teorija gravitacije. Ljudi još uvijek nisu bili uspješni u stvaranju teorije gravitacije koja je u potpunosti u skladu s kvantnim mehaničkim principima i principom nesigurnosti.
Aristotel je tvrdio da masivni objekti padaju na zemlju brže od lakih.
Galileo je početkom 17. veka pokazao da svi predmeti padaju „na isti način“. I otprilike u isto vrijeme, Kepler se zapitao šta tjera planete da se kreću po svojim orbitama. Možda je u pitanju magnetizam? Isaac Newton, radeći na "", sveo je sve ove pokrete na djelovanje jedne sile zvane gravitacija, koja se pokorava jednostavnim univerzalnim zakonima.
Galileo je eksperimentalno pokazao da je putanja koju pređe tijelo koje pada pod utjecajem gravitacije proporcionalna kvadratu vremena pada: lopta koja pada dvije sekunde će putovati četiri puta duže od istog objekta za jednu sekundu. Galileo je takođe pokazao da je brzina direktno proporcionalna vremenu pada, pa je iz toga zaključio da topovsko đule leti po paraboličnoj putanji - jednoj od vrsta konusnih preseka, poput elipse duž kojih se, prema Kepleru, planete kreću . Ali odakle dolazi ova veza?
Kada je Univerzitet u Kembridžu zatvoren za vreme Velike kuge sredinom 1660-ih, Njutn se vratio u porodičnu kuću i tamo formulisao svoj zakon gravitacije, iako ga je držao u tajnosti još 20 godina. (Priča o paloj jabuci nije se čula sve dok je osamdesetogodišnjak Njutn ispričao posle velike večere.)
On je sugerirao da svi objekti u svemiru stvaraju gravitacijsku silu koja privlači druge objekte (baš kao što jabuka privlači Zemlju), a upravo ta gravitacijska sila određuje putanje po kojima se zvijezde, planete i druga nebeska tijela kreću u svemiru.
Isak Njutn je u poznim danima ispričao kako se to dogodilo: šetao je voćnjakom jabuka na imanju svojih roditelja i iznenada ugledao mesec na dnevnom nebu. I pred njegovim očima, jabuka se otkinula sa grane i pala na zemlju. Pošto je Njutn u isto vreme radio na zakonima kretanja, već je znao da je jabuka pala pod uticajem Zemljinog gravitacionog polja. Takođe je znao da Mesec ne visi samo na nebu, već se rotira u orbiti oko Zemlje, pa stoga na njega deluje neka vrsta sile koja ga sprečava da izbije iz orbite i odleti pravolinijski. , u otvoreni prostor. Tada mu je palo na pamet da je možda ista sila zbog koje i jabuka padne na zemlju i mjesec da ostane u orbiti oko Zemlje.
Zakon obrnutog kvadrata
Njutn je uspeo da izračuna veličinu Mjesečevog ubrzanja pod uticajem Zemljine gravitacije i otkrio je da je ono hiljadama puta manje od ubrzanja objekata (iste jabuke) u blizini Zemlje. Kako to može biti ako se kreću pod uticajem iste sile?
Njutnovo objašnjenje je bilo da gravitacija slabi sa rastojanjem. Objekt na površini Zemlje je 60 puta bliži centru planete od Mjeseca. Privlačnost u orbiti Mjeseca je 1/3600, ili 1/602, od onoga što djeluje na jabuku. Dakle, sila privlačenja između dva objekta – bilo da je to Zemlja i jabuka, Zemlja i Mjesec, ili Sunce i kometa – obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti koja ih dijeli. Udvostručite rastojanje i sila se smanji za faktor četiri, utrostručite - sila postaje devet puta manja, itd. Sila zavisi i od mase objekata - što je veća masa, to je jača gravitacija.
Zakon univerzalne gravitacije može se napisati kao formula:
F = G(Mm/r2).
Gdje je: Gravitacijska sila jednaka je proizvodu veće mase M i manje težine m podijeljeno s kvadratom udaljenosti između njih r2 i pomnoženo gravitacionom konstantom, označeno velikim slovom G(mala slova g označava ubrzanje uzrokovano gravitacijom).
Ova konstanta određuje privlačnost između bilo koje dvije mase bilo gdje u svemiru. Godine 1789. korišten je za izračunavanje mase Zemlje (6 1024 kg). Njutnovi zakoni su odlični u predviđanju sila i kretanja u sistemu od dva objekta. Ali kada se doda trećina, sve postaje mnogo komplikovanije i vodi (nakon 300 godina) do matematike haosa.
« fizika - 10. razred
Zašto se mjesec kreće oko Zemlje?
Šta će se dogoditi ako mjesec stane?
Zašto se planete okreću oko Sunca?
U Poglavlju 1, detaljno se govorilo o tome da globus daje isto ubrzanje svim tijelima blizu površine Zemlje – ubrzanje slobodnog pada. Ali ako globus daje ubrzanje tijelu, onda, prema drugom Newtonovom zakonu, djeluje na tijelo nekom silom. Zove se sila kojom zemlja deluje na telo gravitacije. Prvo, pronađimo ovu silu, a zatim razmotrimo silu univerzalne gravitacije.
Modulo ubrzanje je određeno iz drugog Newtonovog zakona:
U opštem slučaju, zavisi od sile koja deluje na telo i njegove mase. Kako ubrzanje slobodnog pada ne ovisi o masi, jasno je da sila gravitacije mora biti proporcionalna masi:
Fizička veličina je ubrzanje slobodnog pada, konstantna je za sva tijela.
Na osnovu formule F = mg, možete odrediti jednostavnu i praktično prikladnu metodu za mjerenje masa tijela upoređivanjem mase datog tijela sa standardnom jedinicom mase. Omjer masa dvaju tijela jednak je omjeru sila gravitacije koje djeluju na tijela:
To znači da su mase tijela iste ako su sile gravitacije koje djeluju na njih iste.
Ovo je osnova za određivanje masa vaganjem na opružnoj ili vagi. Osiguravajući da se sila pritiska tijela na vagu, jednaka sili gravitacije primijenjenoj na tijelo, uravnoteži sa silom pritiska utega na drugoj vagi, jednakoj sili gravitacije primijenjenoj na utege , na taj način određujemo masu tijela.
Sila gravitacije koja djeluje na dato tijelo u blizini Zemlje može se smatrati konstantnom samo na određenoj geografskoj širini blizu Zemljine površine. Ako se tijelo podigne ili pomjeri na mjesto sa različitom geografskom širinom, tada će se promijeniti ubrzanje slobodnog pada, a time i sila gravitacije.
Sila gravitacije.
Njutn je prvi rigorozno dokazao da je razlog pada kamena na Zemlju, kretanje Meseca oko Zemlje i planeta oko Sunca isti. to gravitaciona sila koji djeluju između bilo kojeg tijela Univerzuma.
Njutn je došao do zaključka da bi, da nije bilo otpora vazduha, putanja kamena bačenog sa visoke planine (slika 3.1) određenom brzinom mogla postati takva da nikada ne bi dospela na površinu Zemlje, ali bi kreću se oko njega kao što planete opisuju svoje orbite na nebu.
Newton je pronašao ovaj razlog i bio u stanju da ga precizno izrazi u obliku jedne formule - zakona univerzalne gravitacije.
Kako sila univerzalne gravitacije daje isto ubrzanje svim tijelima, bez obzira na njihovu masu, ona mora biti proporcionalna masi tijela na koje djeluje:
“Gravitacija postoji za sva tijela općenito i proporcionalna je masi svakog od njih... sve planete gravitiraju jedna prema drugoj...” I. Newton
Ali pošto, na primjer, Zemlja djeluje na Mjesec sa silom proporcionalnom masi Mjeseca, onda Mjesec, prema trećem Newtonovom zakonu, mora djelovati na Zemlju istom silom. Štaviše, ova sila mora biti proporcionalna masi Zemlje. Ako je gravitaciona sila zaista univerzalna, onda sa strane datog tijela na bilo koje drugo tijelo mora djelovati sila proporcionalna masi ovog drugog tijela. Shodno tome, sila univerzalne gravitacije mora biti proporcionalna proizvodu masa tijela u interakciji. Iz ovoga slijedi formulacija zakona univerzalne gravitacije.
Zakon gravitacije:
Sila međusobnog privlačenja dvaju tijela direktno je proporcionalna proizvodu masa ovih tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih:
Faktor proporcionalnosti G se naziva gravitaciona konstanta.
Gravitaciona konstanta je numerički jednaka sili privlačenja između dvije materijalne točke s masom od 1 kg svaka, ako je udaljenost između njih 1 m. Uostalom, s masama m 1 = m 2 = 1 kg i udaljenosti r \u003d 1 m, dobijamo G = F (numerički).
Mora se imati na umu da zakon univerzalne gravitacije (3.4) kao univerzalni zakon važi za materijalne tačke. U ovom slučaju, sile gravitacijske interakcije su usmjerene duž linije koja povezuje ove tačke (slika 3.2, a).
Može se pokazati da homogena tela koja imaju oblik lopte (čak i ako se ne mogu smatrati materijalnim tačkama, slika 3.2, b) takođe deluju sa silom definisanom formulom (3.4). U ovom slučaju, r je udaljenost između centara loptica. Sile međusobnog privlačenja leže na pravoj liniji koja prolazi kroz središta loptica. Takve sile se nazivaju centralno. Tela čiji pad na Zemlju obično razmatramo su mnogo manja od poluprečnika Zemlje (R ≈ 6400 km).
Takva tijela, bez obzira na njihov oblik, mogu se smatrati materijalnim tačkama, a sila njihovog privlačenja prema Zemlji može se odrediti korištenjem zakona (3.4), imajući u vidu da je r udaljenost od datog tijela do centra Zemlja.
Kamen bačen na Zemlju će pod dejstvom gravitacije skrenuti sa pravog puta i, opisavši zakrivljenu putanju, konačno će pasti na Zemlju. Ako ga bacite većom brzinom, dalje će pasti.” I. Newton
Definicija gravitacione konstante.
Sada hajde da saznamo kako možete pronaći gravitacionu konstantu. Prije svega, imajte na umu da G ima specifično ime. To je zbog činjenice da su jedinice (i, prema tome, nazivi) svih veličina uključenih u zakon univerzalne gravitacije već ranije utvrđene. Zakon gravitacije daje novu vezu između poznatih veličina sa određenim nazivima jedinica. Zato se koeficijent ispostavlja kao imenovana vrijednost. Koristeći formulu zakona univerzalne gravitacije, lako je pronaći naziv jedinice gravitacijske konstante u SI: N m 2 / kg 2 \u003d m 3 / (kg s 2).
Za kvantificiranje G potrebno je nezavisno odrediti sve veličine uključene u zakon univerzalne gravitacije: obje mase, silu i udaljenost između tijela.
Poteškoća leži u činjenici da su gravitacijske sile između tijela malih masa izuzetno male. Upravo iz tog razloga ne primjećujemo privlačenje našeg tijela prema okolnim objektima i međusobno privlačenje objekata jednih prema drugima, iako su gravitacijske sile najuniverzalnije od svih sila u prirodi. Dvije osobe težine 60 kg na udaljenosti od 1 m jedna od druge privlače se silom od samo oko 10 -9 N. Stoga su za mjerenje gravitacijske konstante potrebni prilično suptilni eksperimenti.
Gravitacionu konstantu prvi je izmjerio engleski fizičar G. Cavendish 1798. godine koristeći uređaj nazvan torzionu vagu. Shema torzijske ravnoteže prikazana je na slici 3.3. Lagana klackalica sa dva identična utega na krajevima okačena je na tanki elastični konac. Dvije teške lopte su nepomično fiksirane u blizini. Gravitacijske sile djeluju između utega i nepokretnih loptica. Pod uticajem ovih sila, klackalica okreće i uvija nit sve dok rezultujuća elastična sila ne postane jednaka sili gravitacije. Ugao uvijanja može se koristiti za određivanje sile privlačenja. Da biste to učinili, trebate samo znati elastična svojstva niti. Mase tijela su poznate, a udaljenost između centara tijela u interakciji može se direktno izmjeriti.
Iz ovih eksperimenata dobijena je sljedeća vrijednost gravitacijske konstante:
G \u003d 6,67 10 -11 N m 2 / kg 2.
Samo u slučaju kada su u interakciji tijela ogromnih masa (ili je barem masa jednog od tijela vrlo velika), gravitacijska sila dostiže veliku vrijednost. Na primjer, Zemlja i Mjesec se međusobno privlače silom F ≈ 2 10 20 N.
Zavisnost ubrzanja slobodnog pada tijela od geografske širine.
Jedan od razloga povećanja ubrzanja slobodnog pada pri pomicanju tačke u kojoj se tijelo nalazi od ekvatora do polova je taj što je globus nešto spljošten na polovima i udaljenost od središta Zemlje do njene površine na polovima je manji nego na ekvatoru. Drugi razlog je rotacija Zemlje.
Jednakost inercijskih i gravitacionih masa.
Najupečatljivije svojstvo gravitacionih sila je da daju isto ubrzanje svim tijelima, bez obzira na njihovu masu. Šta biste rekli o fudbaleru čiji bi udarac podjednako ubrzao i običnu kožnu loptu i teg od dva kilograma? Svi će reći da je to nemoguće. Ali Zemlja je upravo takav „izvanredan fudbaler“, sa jedinom razlikom što njeno dejstvo na tela nema karakter kratkotrajnog uticaja, već se nastavlja u kontinuitetu milijardama godina.
U Njutnovoj teoriji, masa je izvor gravitacionog polja. Nalazimo se u Zemljinom gravitacionom polju. Istovremeno, mi smo i izvori gravitacionog polja, ali zbog činjenice da je naša masa znatno manja od mase Zemlje, naše polje je mnogo slabije i okolni objekti ne reaguju na njega.
Neobično svojstvo gravitacijskih sila, kao što smo već rekli, objašnjava se činjenicom da su te sile proporcionalne masama oba tijela koja djeluju. Masa tijela, koja je uključena u drugi Newtonov zakon, određuje inercijska svojstva tijela, odnosno njegovu sposobnost da postigne određeno ubrzanje pod djelovanjem date sile. to inercijsku masu m i.
Čini se, u kakvoj vezi to može imati sa sposobnošću tijela da privlače jedno drugo? Masa koja određuje sposobnost tijela da se privlače jedno drugo je gravitacijska masa m r .
Iz Njutnove mehanike uopšte ne sledi da su inercijalna i gravitaciona masa iste, tj.
m i = m r . (3.5)
Jednakost (3.5) je direktna posljedica iskustva. To znači da se jednostavno može govoriti o masi tijela kao kvantitativnoj mjeri i njegovih inercijskih i gravitacijskih svojstava.
Ne samo najmisterioznije sile prirode ali i najmoćniji.
Čovek na putu napredovanja
Istorijski gledano, bilo je čovjek dok se krećete napred putevi napretka ovladao sve snažnijim silama prirode. Počeo je kada nije imao ništa osim štapa u šaci i vlastite fizičke snage.
Ali bio je mudar i donio je fizičku snagu životinja u svoju službu, čineći ih domaćim. Konj je ubrzao svoj trk, kamila je pustinju učinila prohodnom, slon močvarnu džunglu. Ali fizičke snage čak i najjačih životinja su nemjerljivo male u odnosu na sile prirode.
Prva osoba je pokorila element vatre, ali samo u njegovim najoslabljenijim verzijama. U početku - dugi niz stoljeća - koristio je samo drvo kao gorivo - vrlo nisko-energetski intenzivan tip goriva. Nešto kasnije naučio je da koristi energiju vjetra iz ovog izvora energije, čovjek je podigao bijelo krilo jedra u zrak - i lagani brod je preletio poput ptice iznad valova.
Jedrilica na valovima
Izložio je oštrice vjetrenjače naletima vjetra - i teško kamenje mlinskog kamenja se okretalo, tučak krupe zveckao. Ali svima je jasno da energija vazdušnih mlaznica daleko od toga da je koncentrisana. Osim toga, i jedro i vjetrenjača su se bojali udara vjetra: oluja je pokidala jedra i potopila brodove, oluja je slomila krila i prevrnula mlinove.
Čak i kasnije, čovek je počeo da osvaja vodu koja teče. Točak nije samo najprimitivniji uređaj koji može pretvoriti energiju vode u rotacijsko kretanje, već je i najslabiji u odnosu na razne.
Čovjek je išao naprijed na ljestvici napretka i trebalo mu je sve više energije.
Počeo je koristiti nove vrste goriva - već je prelazak na sagorijevanje uglja povećao energetski intenzitet kilograma goriva sa 2500 kcal na 7000 kcal - gotovo tri puta. Onda je došlo vrijeme za naftu i gas. Opet, energetski sadržaj svakog kilograma fosilnog goriva se povećao za jedan i po do dva puta.
Parne mašine su zamijenjene parnim turbinama; mlinski točkovi su zamenjeni hidrauličnim turbinama. Tada je čovjek pružio ruku prema fisivnom atomu uranijuma. Međutim, prvo korištenje nove vrste energije imalo je tragične posljedice - nuklearni plamen Hirošime 1945. godine spalio je 70 hiljada ljudskih srca u roku od nekoliko minuta.
Godine 1954. puštena je u rad prva sovjetska nuklearna elektrana na svijetu, pretvarajući snagu uranijuma u snagu zračenja električne struje. I treba napomenuti da kilogram uranijuma sadrži dva miliona puta više energije od kilograma najbolje nafte.
Bila je to fundamentalno nova vatra, koja bi se mogla nazvati fizičkom, jer su fizičari proučavali procese koji dovode do rađanja tako nevjerovatnih količina energije.
Uranijum nije jedino nuklearno gorivo. Već se koristi snažnija vrsta goriva - izotopi vodonika.
Nažalost, čovjek još nije bio u stanju savladati atomski plamen vodika i helijuma. On zna kako na trenutak zapaliti svoju svegoruću vatru, zapaliti reakciju u hidrogenskoj bombi uz bljesak uranijumske eksplozije. Ali sve bliže i bliže, naučnici vide vodonični reaktor, koji će generisati električnu struju kao rezultat fuzije jezgri izotopa vodika u jezgra helijuma.
Opet, količina energije koju čovjek može uzeti iz svakog kilograma goriva povećat će se gotovo deset puta. Ali hoće li ovaj korak biti posljednji u nadolazećoj historiji ljudske moći nad silama prirode?
Ne! Napred - ovladavanje gravitacionim oblikom energije. Priroda je još razboritije upakovana nego čak i energija fuzije vodika i helijuma. Danas je to najkoncentriraniji oblik energije o kojem čovjek može i pretpostaviti.
Ništa dalje se tu još ne vidi, izvan oštrice nauke. I iako sa sigurnošću možemo reći da će elektrane raditi za čovjeka, prerađujući gravitacijsku energiju u električnu struju (ili možda u mlaz plina koji izlijeće iz mlaznice mlaznog motora, ili u planiranu transformaciju sveprisutnih atoma silicija i kisika u atome ultra retkih metala), još ne možemo ništa reći o detaljima takve elektrane (raketni motor, fizički reaktor).
Sila univerzalne gravitacije u izvorima rođenja galaksija
Sila univerzalne gravitacije je izvor rođenja galaksija iz predzvjezdane materije, kako je uvjeren akademik V. A. Ambartsumyan. Također gasi zvijezde koje su potrošile svoje vrijeme, potrošivši zvjezdano gorivo koje im je dodijeljeno rođenjem.
Da, pogledajte oko sebe: sve na Zemlji je u velikoj mjeri kontrolisano od strane ove sile.
Ona je ta koja određuje slojevitu strukturu naše planete - izmjenu litosfere, hidrosfere i atmosfere. Ona je ta koja drži debeli sloj vazdušnih gasova, na čijem dnu i zahvaljujući kojima svi postojimo.
Da nije bilo gravitacije, Zemlja bi se odmah izbila iz svoje orbite oko Sunca, a sam globus bi se raspao, rastrgan centrifugalnim silama. Teško je pronaći nešto što ne bi, u ovom ili onom stepenu, zavisilo od sile univerzalne gravitacije.
Naravno, antički filozofi, vrlo pažljivi ljudi, nisu mogli ne primijetiti da se kamen bačen uvis uvijek vraća. Platon je u 4. veku pre nove ere to objasnio činjenicom da sve supstance univerzuma teže tamo gde je koncentrisana većina sličnih supstanci: bačeni kamen pada na zemlju ili odlazi na dno, prosuta voda prodire u najbližu baru ili u rijeku koja se probija do mora, dim vatre juri na srodne oblake.
Platonov učenik, Aristotel, pojasnio je da sva tijela imaju posebna svojstva težine i lakoće. Teška tijela - kamenje, metali - jure u centar svemira, svjetlost - vatra, dim, pare - na periferiju. Ova hipoteza, koja objašnjava neke od fenomena povezanih sa silom univerzalne gravitacije, postoji više od 2 hiljade godina.
Naučnici o sili gravitacije
Vjerovatno prvi koji je postavio pitanje sila gravitacije zaista naučni, bio je genije renesanse - Leonardo da Vinči. Leonardo je proglasio da gravitacija nije karakteristična samo za Zemlju, da postoji mnogo centara gravitacije. Takođe je sugerisao da sila gravitacije zavisi od udaljenosti do centra gravitacije.
Radovi Kopernika, Galilea, Keplera, Roberta Hookea sve više su približavali ideju zakona univerzalne gravitacije, ali je u konačnoj formulaciji ovaj zakon zauvijek povezan s imenom Isaka Newtona.
Isaac Newton o sili gravitacije
Rođen 4. januara 1643. Diplomirao je na Univerzitetu u Kembridžu, postao diplomirani, zatim - magistar nauka.
Isaac Newton Sve što slijedi je beskrajno bogatstvo naučnih radova. Ali njegovo glavno djelo su "Matematički principi prirodne filozofije", objavljeni 1687. i obično nazvani jednostavno "Počeci". U njima je formulisano veliko. Vjerovatno ga se svi sjećaju iz srednje škole.
Sva tijela se privlače jedno prema drugom silom koja je direktno proporcionalna proizvodu masa ovih tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih...
Neke odredbe ove formulacije mogli su predvidjeti Newtonovi prethodnici, ali ona još nikome nije data u cijelosti. Njutnov genij je bio potreban da se ti fragmenti sastave u jednu celinu kako bi se privlačnost Zemlje proširila na Mesec, a Sunca - na ceo planetarni sistem.
Iz zakona univerzalne gravitacije, Newton je izveo sve zakone kretanja planeta, koje je prije otkrio Kepler. One su jednostavno bile njegove posljedice. Štaviše, Newton je pokazao da su ne samo Keplerovi zakoni, već i odstupanja od ovih zakona (u svijetu tri ili više tijela) rezultat univerzalne gravitacije... Ovo je bio veliki trijumf nauke.
Činilo se da je konačno otkrivena i matematički opisana glavna sila prirode, koja pokreće svjetove, sila kojoj su podložni molekuli zraka, jabuke i Sunca. Džinovski, neizmjerno ogroman bio je korak koji je napravio Newton.
Prvi popularizator djela briljantnog naučnika, francuski pisac Francois Marie Arouet, svjetski poznat pod pseudonimom Voltaire, rekao je da je Newton iznenada pogodio postojanje zakona nazvanog po njemu kada je pogledao jabuku koja pada.
Sam Njutn nikada nije spomenuo ovu jabuku. I teško da je vrijedno gubiti vrijeme danas na opovrgavanje ove lijepe legende. I, očigledno, Njutn je logičkim rasuđivanjem shvatio veliku moć prirode. Vjerovatno je uvršten u odgovarajuće poglavlje "Počeci".
Sila gravitacije utiče na let jezgra
Pretpostavimo da smo na vrlo visokoj planini, toliko visokoj da je njen vrh već izvan atmosfere, postavili gigantski artiljerijski oruđa. Njegova cijev bila je postavljena striktno paralelno s površinom globusa i ispaljena. Opisivanje luka jezgro pada na zemlju.
Povećavamo punjenje, poboljšavamo kvalitet baruta, na ovaj ili onaj način tjeramo jezgro da se kreće većom brzinom nakon sljedećeg hica. Luk koji opisuje jezgro postaje ravniji. Jezgro pada mnogo dalje od podnožja naše planine.
Takođe povećavamo naboj i pucamo. Jezgro leti tako blagom putanjom da se spušta paralelno sa površinom globusa. Jezgro više ne može pasti na Zemlju: istom brzinom kojom pada, Zemlja izlazi ispod njega. I, nakon što je opisao prsten oko naše planete, jezgro se vraća na polaznu tačku.
Pištolj se u međuvremenu može ukloniti. Na kraju krajeva, let jezgra oko svijeta trajat će više od sat vremena. A onda će jezgro brzo preći preko vrha planine i otići u novi krug oko Zemlje. Pad, ako, kao što smo se dogovorili, jezgro ne doživi nikakav otpor vazduha, nikada neće moći.
Osnovna brzina za ovo bi trebala biti blizu 8 km/sec. A ako povećate brzinu leta jezgre? Prvo će letjeti u luku, nježnijem od zakrivljenosti zemljine površine, i početi da se udaljava od Zemlje. Istovremeno će se njegova brzina pod utjecajem Zemljine gravitacije smanjiti.
I, konačno, okrećući se, počet će, takoreći, da pada nazad na Zemlju, ali će proletjeti pored nje i više neće završiti krug, već elipsu. Jezgro će se kretati oko Zemlje na potpuno isti način kao što se Zemlja kreće oko Sunca, naime, duž elipse, u čijem će se jednom od fokusa nalaziti centar naše planete.
Ako dodatno povećamo početnu brzinu jezgra, ispostavit će se da je elipsa više rastegnuta. Ovu elipsu je moguće rastegnuti na način da jezgro stigne do lunarne orbite ili čak mnogo dalje. Ali sve dok početna brzina ovog jezgra ne pređe 11,2 km/s, ono će ostati satelit Zemlje.
Jezgro, koje je pri ispaljivanju dobilo brzinu od preko 11,2 km/s, zauvijek će odletjeti od Zemlje po paraboličnoj putanji. Ako je elipsa zatvorena kriva, onda je parabola kriva koja ima dvije grane koje idu u beskonačnost. Krećući se duž elipse, ma koliko ona bila izdužena, neminovno ćemo se sistematski vraćati na početnu tačku. Krećući se po paraboli, nikada se nećemo vratiti na početnu tačku.
Ali, napustivši Zemlju ovom brzinom, jezgro još neće moći letjeti u beskonačnost. Snažna gravitacija Sunca će savijati putanju svog leta, zatvarajući se oko sebe poput putanje planete. Jezgro će postati Zemljina sestra, mala planeta u našoj porodici planeta.
Da bi se jezgro usmerilo van planetarnog sistema, da bi se savladala solarna privlačnost, potrebno mu je reći brzinu veću od 16,7 km/s, i usmeriti je tako da se ovoj brzini doda i brzina sopstvenog kretanja Zemlje. .
Brzina od oko 8 km/s (ova brzina zavisi od visine planine sa koje puca naša puška) naziva se kružna brzina, brzine od 8 do 11,2 km/s su eliptične, od 11,2 do 16,7 km/s su parabolične, a iznad ovog broja - oslobađajuće brzine.
Ovdje treba dodati da date vrijednosti ovih brzina vrijede samo za Zemlju. Da živimo na Marsu, kružnu brzinu bi nam bilo mnogo lakše postići – ona je tamo samo oko 3,6 km/s, a parabolična je tek nešto veća od 5 km/s.
S druge strane, bilo bi mnogo teže poslati jezgro na svemirski let sa Jupitera nego sa Zemlje: kružna brzina na ovoj planeti je 42,2 km/s, a parabolična čak 61,8 km/s!
Stanovnicima Sunca bi bilo najteže da napuste svoj svijet (ako bi, naravno, takav mogao postojati). Kružna brzina ovog giganta trebala bi biti 437,6, a brzina razdvajanja - 618,8 km / s!
Tako je Njutn krajem 17. veka, sto godina pre prvog leta balona na vrući vazduh ispunjenog toplim vazduhom od strane braće Montgolfije, dvesta godina pre prvih letova aviona braće Rajt, i skoro četvrtina milenijuma pre polijetanja prvih tečnih raketa, pokazivao je put do neba za satelite i svemirske brodove.
Sila gravitacije je svojstvena svakoj sferi
Korišćenjem zakon gravitacije otkrivene su nepoznate planete, stvorene su kosmogonijske hipoteze o nastanku Sunčevog sistema. Otkrivena je i matematički opisana glavna sila prirode koja kontroliše zvijezde, planete, jabuke u vrtu i molekule plina u atmosferi.
Ali mi ne poznajemo mehanizam univerzalne gravitacije. Njutnova gravitacija ne objašnjava, ali vizuelno predstavlja trenutno stanje kretanja planeta.
Ne znamo šta uzrokuje interakciju svih tijela Univerzuma. I ne može se reći da Newton nije bio zainteresovan za ovaj razlog. Dugi niz godina razmišljao je o njegovom mogućem mehanizmu.
Inače, ovo je zaista izuzetno misteriozna moć. Sila koja se manifestuje kroz stotine miliona kilometara prostora, na prvi pogled lišenog ikakvih materijalnih formacija, uz pomoć koje bi se mogao objasniti transfer interakcije.
Newtonove hipoteze
I newton pribegli hipoteza o postojanju određenog etra koji navodno ispunjava čitav Univerzum. Godine 1675. objasnio je privlačnost Zemlji činjenicom da eter koji ispunjava cijeli Univerzum juri ka središtu Zemlje u neprekidnim tokovima, hvatajući sve objekte u tom kretanju i stvarajući gravitacijsku silu. Isti tok etra juri ka Suncu i, vukući planete, komete, osigurava njihove eliptične putanje...
To nije bila baš uvjerljiva, iako apsolutno matematički logična hipoteza. Ali sada, 1679. godine, Newton je stvorio novu hipotezu koja objašnjava mehanizam gravitacije. Ovog puta on obdaruje eter svojstvom da ima različitu koncentraciju u blizini planeta i daleko od njih. Što je dalje od centra planete, to je navodno gušći etar. I ima svojstvo da istiskuje sva materijalna tijela iz njihovih gušćih slojeva u manje gusta. I sva tijela su istisnuta na površinu Zemlje.
Godine 1706. Njutn oštro poriče samo postojanje etra. Godine 1717. ponovo se vraća hipotezi o istiskivanju etra.
Genijalni Njutnov mozak borio se oko rešenja velike misterije i nije ga našao. To objašnjava tako oštro bacanje s jedne na drugu stranu. Newton je govorio:
Ne postavljam hipoteze.
I premda, kao što smo tek uspjeli provjeriti, to nije sasvim tačno, definitivno možemo reći nešto drugo: Newton je mogao jasno razlikovati stvari koje su neosporne od nestabilnih i kontroverznih hipoteza. I u Elementima postoji formula velikog zakona, ali nema pokušaja da se objasni njegov mehanizam.
Veliki fizičar zaveštao je ovu zagonetku čoveku budućnosti. Umro je 1727.
Ni danas nije riješeno.
Rasprava o fizičkoj suštini Njutnovog zakona trajala je dva veka. I možda se ova rasprava ne bi ticala same suštine zakona, da je tačno odgovorio na sva pitanja koja su mu postavljena.
Ali činjenica je da se vremenom pokazalo da ovaj zakon nije univerzalan. Da ima slučajeva kada ne može da objasni ovu ili onu pojavu. Navedimo primjere.
Sila gravitacije u Seeligerovim proračunima
Prvi od njih je Seeligerov paradoks. Smatrajući da je Univerzum beskonačan i jednolično ispunjen materijom, Seeliger je pokušao da izračuna, prema Newtonovom zakonu, univerzalnu gravitacionu silu koju stvara čitava beskonačno velika masa beskonačnog Univerzuma u nekom trenutku u njemu.
To nije bio lak zadatak sa stanovišta čiste matematike. Savladavši sve poteškoće najsloženijih transformacija, Seeliger je otkrio da je željena sila univerzalne gravitacije proporcionalna polumjeru svemira. A pošto je ovaj radijus jednak beskonačnosti, onda gravitaciona sila mora biti beskonačno velika. Međutim, mi to ne vidimo u praksi. To znači da zakon univerzalne gravitacije ne važi za ceo univerzum.
Međutim, moguća su i druga objašnjenja paradoksa. Na primjer, možemo pretpostaviti da materija ne ispunjava ravnomjerno cijeli Univerzum, već se njena gustoća postepeno smanjuje i, konačno, negdje vrlo daleko nema materije. Ali zamisliti takvu sliku znači priznati mogućnost postojanja prostora bez materije, što je općenito apsurdno.
Možemo pretpostaviti da sila gravitacije slabi brže nego što raste kvadrat udaljenosti. Ali to dovodi u sumnju iznenađujući sklad Newtonovog zakona. Ne, i ovo objašnjenje nije zadovoljilo naučnike. Paradoks je ostao paradoks.
Zapažanja kretanja Merkura
Još jedna činjenica, djelovanje sile univerzalne gravitacije, koje nije objašnjeno Newtonovim zakonom, donijelo je posmatranje kretanja Merkura- najbliže planeti. Tačni proračuni prema Newtonovom zakonu pokazali su da bi se perehel - tačka elipse duž koje se Merkur kreće najbliže Suncu - trebao pomjeriti za 531 lučnu sekundu u 100 godina.
A astronomi su otkrili da je ovaj pomak jednak 573 lučne sekunde. Ovaj višak - 42 lučne sekunde - takođe naučnici nisu mogli da objasne, koristeći samo formule koje proizilaze iz Newtonovog zakona.
Objasnio je i Seeligerov paradoks, i pomicanje Merkurovog perheliona, i mnoge druge paradoksalne fenomene i neobjašnjive činjenice Albert Einstein, jedan od najvećih, ako ne i najveći fizičar svih vremena. Među dosadnim sitnicama bilo je i pitanje eterični vjetar.
Eksperimenti Alberta Michelsona
Činilo se da se ovo pitanje ne tiče direktno problema gravitacije. On se odnosio na optiku, na svjetlo. Tačnije, na definiciju njegove brzine.
Danski astronom bio je prvi koji je odredio brzinu svjetlosti. Olaf Remer posmatrajući pomračenje Jupiterovih meseca. To se dogodilo već 1675. godine.
američki fizičar Albert Michelson krajem 18. veka, on je sproveo niz određivanja brzine svetlosti u zemaljskim uslovima, koristeći aparat koji je dizajnirao.
Godine 1927. dao je brzinu svjetlosti kao 299796 + 4 km/s, što je bila odlična tačnost za ono vrijeme. Ali suština stvari je drugačija. Godine 1880. odlučio je da istraži eterični vjetar. Želio je da konačno utvrdi postojanje upravo tog etra, čijim prisustvom su pokušali da objasne i prenos gravitacione interakcije i prenos svetlosnih talasa.
Majklson je verovatno bio najistaknutiji eksperimentator svog vremena. Imao je odličnu opremu. I bio je gotovo siguran u uspjeh.
Suština iskustva
Iskustvo zamišljeno ovako. Zemlja se kreće u svojoj orbiti brzinom od oko 30 km/sec.. Kreće se kroz vazduh. To znači da brzina svjetlosti iz izvora koji je ispred prijemnika u odnosu na kretanje Zemlje mora biti veća nego iz izvora koji je na drugoj strani. U prvom slučaju, brzina eteričnog vjetra mora se dodati brzini svjetlosti; u drugom slučaju, brzina svjetlosti se mora smanjiti za ovu vrijednost.
Naravno, brzina Zemlje u njenoj orbiti oko Sunca je samo desethiljaditi dio brzine svjetlosti. Pronaći tako mali pojam je vrlo teško, ali Michelsona su s razlogom nazivali kraljem preciznosti. Koristio je genijalan način da uhvati "neuhvatljivu" razliku u brzinama zraka svjetlosti.
Podijelio je snop na dva jednaka toka i usmjerio ih u međusobno okomitim smjerovima: duž meridijana i duž paralele. Odbijeni od ogledala, zraci su se vratili. Da je snop koji ide paralelno iskusio uticaj eteričnog vetra, kada bi se dodao meridijalnom snopu, trebalo bi da se pojave interferencijske ivice, talasi dva snopa bi bili pomereni u fazi.
Međutim, Michelsonu je bilo teško izmjeriti putanje oba zraka s tako velikom preciznošću, tako da su one bile potpuno iste. Stoga je napravio aparat tako da nije bilo smetnji, a zatim ga okrenuo za 90 stepeni.
Meridijanski snop je postao širinski i obrnuto. Ako je eterični vjetar, ispod okulara bi se trebale pojaviti crne i svijetle pruge! Ali nisu. Možda, kada je okrenuo uređaj, naučnik ga je pomerio.
Postavio ga je u podne i popravio. Uostalom, osim što se rotira i oko ose. I stoga, u različito doba dana, širinski snop zauzima drugačiji položaj u odnosu na nadolazeći eterični vjetar. Sada, kada je aparat striktno nepomičan, može se uvjeriti u tačnost eksperimenta.
Opet nije bilo smetnji. Eksperiment je izveden mnogo puta, i Michelson, a s njim i svi fizičari tog vremena, bili su zadivljeni. Eterični vetar nije detektovan! Svjetlost je putovala u svim smjerovima istom brzinom!
Ovo niko nije uspeo da objasni. Michelson je ponavljao eksperiment iznova i iznova, poboljšao opremu i na kraju postigao gotovo nevjerovatnu tačnost mjerenja, red veličine veću nego što je bilo potrebno za uspjeh eksperimenta. I opet ništa!
Eksperimenti Alberta Ajnštajna
Sledeći veliki korak poznavanje sile gravitacije učinio Albert Einstein.
Alberta Ajnštajna su jednom pitali:
Kako ste došli do svoje specijalne teorije relativnosti? Pod kojim okolnostima ste došli na briljantnu ideju? Naučnik je odgovorio: „Uvek mi se činilo da je to tako.
Možda nije želio da bude iskren, možda je htio da se riješi dosadnog sagovornika. Ali teško je zamisliti da je Einsteinova ideja o vezama između vremena, prostora i brzine bila urođena.
Ne, naravno, u početku je postojao predosjećaj, sjajan kao munja. Tada je počeo razvoj. Ne, nema kontradikcija sa poznatim pojavama. A onda se pojavilo onih pet stranica punih formula, koje su objavljene u fizičkom časopisu. Stranice koje su otvorile novu eru u fizici.
Zamislite svemirski brod koji leti kroz svemir. Odmah ćemo vas upozoriti: zvjezdani brod je vrlo neobičan, kakav niste čitali u naučnofantastičnim pričama. Dužina mu je 300 hiljada kilometara, a brzina, recimo, 240 hiljada km/s. I ovaj svemirski brod leti pored jedne od međuplatforma u svemiru, bez zaustavljanja na njoj. Punom brzinom.
Jedan od putnika stoji na palubi zvjezdanog broda sa satom. A ti i ja, čitaoče, stojimo na platformi - njena dužina mora odgovarati veličini zvjezdanog broda, odnosno 300 hiljada kilometara, inače se neće moći zalijepiti za nju. A imamo i sat u rukama.
Primjećujemo da je u trenutku kada je pramac zvjezdanog broda sustigao zadnju ivicu naše platforme, na njoj bljesnuo fenjer koji je obasjavao prostor koji ga okružuje. Sekundu kasnije, snop svjetlosti stigao je do prednje ivice naše platforme. U to ne sumnjamo, jer znamo brzinu svjetlosti i uspjeli smo tačno odrediti odgovarajući trenutak na satu. I na zvjezdanom brodu...
Ali zvjezdani brod je također poletio prema snopu svjetlosti. I sasvim sigurno smo vidjeli da mu je svjetlo obasjalo krmu u trenutku kada se nalazila negdje na sredini platforme. Definitivno smo vidjeli da snop svjetlosti nije prešao 300 hiljada kilometara od pramca do krme broda.
Ali putnici na palubi zvjezdanog broda sigurni su u nešto drugo. Sigurni su da je njihov snop prešao cijelu udaljenost od pramca do krme od 300 hiljada kilometara. Na kraju krajeva, potrošio je čitavu sekundu na to. I oni su to apsolutno precizno zabilježili na svojim satovima. A kako bi drugačije: na kraju krajeva, brzina svjetlosti ne ovisi o brzini izvora ...
Kako to? Jednu stvar vidimo sa fiksne platforme, a drugu njima na palubi zvjezdanog broda? Sta je bilo?
Ajnštajnova teorija relativnosti
Treba odmah napomenuti: Ajnštajnova teorija relativnosti na prvi pogled, apsolutno je u suprotnosti s našom utvrđenom idejom o strukturi svijeta. Možemo reći da je u suprotnosti i sa zdravim razumom, kako smo ga navikli predstavljati. To se desilo mnogo puta u istoriji nauke.
Ali otkriće sferičnosti Zemlje bilo je u suprotnosti sa zdravim razumom. Kako ljudi mogu da žive na suprotnoj strani i da ne padnu u provaliju?
Za nas je sferičnost Zemlje nesumnjiva činjenica, a sa stanovišta zdravog razuma, svaka druga pretpostavka je besmislena i divlja. Ali odmaknite se od svog vremena, zamislite prvo pojavljivanje ove ideje i shvatićete koliko bi bilo teško prihvatiti je.
Pa, je li bilo lakše priznati da Zemlja nije nepomična, već da leti svojom putanjom desetine puta brže od topovske kugle?
Sve su to bile olupine zdravog razuma. Stoga ga savremeni fizičari nikada ne pominju.
Sada se vratimo na specijalnu teoriju relativnosti. Svijet ju je prvi put prepoznao 1905. godine iz članka koji potpisuje malo poznato ime - Albert Einstein. A on je tada imao samo 26 godina.
Ajnštajn je iz ovog paradoksa napravio vrlo jednostavnu i logičnu pretpostavku: sa tačke gledišta posmatrača na platformi, u automobilu u pokretu je prošlo manje vremena nego što je izmerio vaš ručni sat. U kolima je protok vremena usporen u odnosu na vrijeme na stacionarnoj platformi.
Iz ove pretpostavke logično su slijedile prilično nevjerovatne stvari. Pokazalo se da osoba koja putuje na posao u tramvaju, u poređenju sa pješakom koji ide istim putem, ne samo da štedi vrijeme zbog brzine, već mu to ide i sporije.
Međutim, ne pokušavajte na ovaj način da sačuvate vječnu mladost: čak i ako postanete kočijaš i provedete trećinu svog života u tramvaju, za 30 godina dobit ćete jedva više od milionitog dijela sekunde. Da bi dobitak u vremenu postao primjetan, potrebno je kretati se brzinom bliskom brzini svjetlosti.
Ispada da se povećanje brzine tijela odražava u njihovoj masi. Što je brzina tijela bliža brzini svjetlosti, to je veća njegova masa. Brzinom tijela jednakom brzini svjetlosti, njegova masa je jednaka beskonačnosti, odnosno veća je od mase Zemlje, Sunca, Galaksije, cijelog našeg Univerzuma... Toliko je masa može se koncentrirati u jednostavnoj kaldrmi, ubrzavajući je do brzine
Sveta!
Ovo nameće ograničenje koje ne dozvoljava nijednom materijalnom tijelu da razvije brzinu jednaku brzini svjetlosti. Uostalom, kako masa raste, postaje je sve teže raspršiti. A beskonačnu masu ne može pomeriti nijedna sila.
Međutim, priroda je napravila veoma važan izuzetak od ovog zakona za čitavu klasu čestica. Na primjer, za fotone. Mogu se kretati brzinom svjetlosti. Tačnije, ne mogu se kretati bilo kojom drugom brzinom. Nezamislivo je zamisliti nepomični foton.
Kada miruje, nema masu. Također, neutrini nemaju masu mirovanja, a osuđeni su i na vječni neobuzdani let kroz svemir maksimalnom mogućom brzinom u našem Univerzumu, bez prestizanja svjetlosti i praćenja njome.
Nije li istina da je svaka od nas navedenih posljedica specijalne teorije relativnosti iznenađujuća, paradoksalna! I svaki je, naravno, u suprotnosti sa "zdravim razumom"!
Ali evo šta je interesantno: ne u svom konkretnom obliku, već kao širokom filozofskom stanovištu, sve ove zadivljujuće posledice predvideli su osnivači dijalektičkog materijalizma. Šta govore ove implikacije? O vezama koje međusobno povezuju energiju i masu, masu i brzinu, brzinu i vrijeme, brzinu i dužinu objekta koji se kreće...
Ajnštajnovo otkriće međuzavisnosti, poput cementa (više:), povezujući zajedno armaturu, ili kamen temeljac, povezalo je stvari i pojave koje su ranije izgledale nezavisno jedna od druge i stvorilo temelj na kome je po prvi put u istoriji nauke bilo moguće izgraditi skladan objekat. Ova zgrada predstavlja način na koji funkcioniše naš univerzum.
Ali prvo, barem nekoliko riječi o općoj teoriji relativnosti, koju je također stvorio Albert Einstein.
Albert Einstein Ovaj naziv - opća teorija relativnosti - ne odgovara sasvim sadržaju teorije o kojoj će biti riječi. Uspostavlja međuzavisnost između prostora i materije. Očigledno bi bilo ispravnije nazvati to prostorno-vremenska teorija, ili teorija gravitacije.
Ali ovo ime je toliko sraslo sa Ajnštajnovom teorijom da se mnogim naučnicima čini nepristojnim čak i postavljanje pitanja njegove zamene.
Opća teorija relativnosti utvrdila je međuzavisnost između materije i vremena i prostora koji je sadrže. Pokazalo se da prostor i vrijeme ne samo da se ne mogu zamisliti odvojeno od materije, već njihova svojstva zavise i od materije koja ih ispunjava.
Polazna tačka diskusije
Dakle, može se samo specificirati polazna tačka diskusije i izvući neke važne zaključke.
Na početku svemirskog putovanja, neočekivana katastrofa uništila je biblioteku, filmski fond i druga spremišta uma, sjećanja na ljude koji su letjeli svemirom. A priroda rodne planete se zaboravlja u smjeni vjekova. Čak je i zakon univerzalne gravitacije zaboravljen, jer raketa leti u međugalaktičkom prostoru, gdje se gotovo i ne osjeća.
Međutim, brodski motori rade vrhunski, zaliha energije u baterijama je praktički neograničena. Većinu vremena brod se kreće po inerciji, a njegovi stanovnici navikli su na bestežinsko stanje. Ali ponekad upale motore i usporavaju ili ubrzavaju kretanje broda. Kada mlazne mlaznice buknu u prazninu bezbojnim plamenom i brod se kreće ubrzano, stanovnici osjećaju da im tijela postaju teška, prisiljeni su hodati oko broda, a ne letjeti hodnicima.
A sada je let blizu završetka. Brod leti do jedne od zvijezda i pada u orbite najpogodnije planete. Zvjezdani brodovi izlaze, hodaju po svježem zelenom tlu, neprestano doživljavajući isti osjećaj težine, poznat iz vremena kada se brod kretao ubrzanim tempom.
Ali planeta se kreće ravnomjerno. Ne može da leti prema njima sa konstantnim ubrzanjem od 9,8 m/s2! I oni imaju prvu pretpostavku da gravitaciono polje (gravitaciona sila) i ubrzanje daju isti efekat, a možda imaju i zajedničku prirodu.
Niko od naših zemaljskih savremenika nije bio na tako dugom letu, ali su mnogi ljudi osjetili fenomen “uteganja” i “olakšavanja” svojih tijela. Već običan lift, kada se kreće ubrzanim tempom, stvara ovaj osjećaj. Prilikom spuštanja osjećate nagli gubitak težine, a pri usponu, naprotiv, pod pritišće vaše noge jače nego inače.
Ali jedno osećanje ništa ne dokazuje. Uostalom, senzacije nas pokušavaju uvjeriti da se Sunce kreće na nebu oko nepokretne Zemlje, da su sve zvijezde i planete na istoj udaljenosti od nas, na nebeskom svodu, itd.
Naučnici su podvrgli senzacije eksperimentalnoj provjeri. Čak je i Newton razmišljao o čudnom identitetu ova dva fenomena. Pokušao im je dati numeričke karakteristike. Izmjerivši gravitacijske i , uvjerio se da su njihove vrijednosti uvijek striktno jednake jedna drugoj.
Od kojih god materijala napravio klatna pilotske fabrike: od srebra, olova, stakla, soli, drveta, vode, zlata, peska, pšenice. Rezultat je bio isti.
Princip ekvivalencije, o kojoj govorimo, je osnova opšte teorije relativnosti, iako savremenom tumačenju teorije ovaj princip više nije potreban. Izostavljajući matematičke dedukcije koje slijede iz ovog principa, prijeđimo direktno na neke posljedice opće teorije relativnosti.
Prisustvo velikih masa materije u velikoj meri utiče na okolni prostor. To dovodi do takvih promjena u njemu, koje se mogu definirati kao nehomogenosti prostora. Ove nehomogenosti usmjeravaju kretanje svih masa koje su blizu tijela koje privlači.
Obično se pribjegava takvoj analogiji. Zamislite platno čvrsto zategnuto na ramu paralelnom sa površinom zemlje. Stavite veliku težinu na to. Ovo će biti naša velika privlačna masa. Ona će, naravno, saviti platno i završiti u nekoj udubini. Sada prevrnite loptu preko ovog platna na način da dio njene putanje leži pored mase koja privlači. U zavisnosti od toga kako će lopta biti lansirana, moguće su tri opcije.
- Lopta će letjeti dovoljno daleko od udubljenja stvorenog skretanjem platna i neće promijeniti svoje kretanje.
- Lopta će dodirnuti udubljenje, a linije njenog kretanja će se saviti prema masi koja privlači.
- Lopta će pasti u ovu rupu, neće moći da izađe iz nje i napraviće jedan ili dva obrtaja oko gravitirajuće mase.
Nije li istina da treća opcija vrlo lijepo modelira hvatanje od strane zvijezde ili planete stranog tijela koje je nemarno odletjelo u njihovo polje privlačnosti?
A drugi slučaj je savijanje putanje tijela koje leti brzinom većom od moguće brzine hvatanja! Prvi slučaj je sličan letenju izvan praktičnog dosega gravitacionog polja. Da, praktično je, jer je teoretski gravitaciono polje neograničeno.
Naravno, ovo je veoma daleka analogija, pre svega zato što niko zaista ne može da zamisli otklon našeg trodimenzionalnog prostora. Koje je fizičko značenje ovog otklona, ili zakrivljenosti, kako se često kaže, niko ne zna.
Iz opšte teorije relativnosti sledi da se svako materijalno telo može kretati u gravitacionom polju samo duž zakrivljenih linija. Samo u posebnim slučajevima kriva se pretvara u pravu liniju.
Zraka svetlosti takođe poštuje ovo pravilo. Na kraju krajeva, sastoji se od fotona koji imaju određenu masu u letu. A gravitaciono polje ima svoj uticaj na njega, kao i na molekul, asteroid ili planetu.
Drugi važan zaključak je da gravitaciono polje takođe menja tok vremena. U blizini velike privlačne mase, u jakom gravitacionom polju koje je stvorila, vrijeme bi trebalo da bude sporije nego daleko od nje.
Vidite, i opća teorija relativnosti puna je paradoksalnih zaključaka koji mogu iznova i iznova preokrenuti naše ideje o "zdravom razumu"!
Gravitacijski kolaps
Razgovarajmo o nevjerovatnom fenomenu kosmičke prirode - o gravitacionom kolapsu (katastrofalna kompresija). Ovaj fenomen se javlja u gigantskim nakupinama materije, gde gravitacione sile dostižu tako ogromne veličine da im nijedna druga sila koja postoji u prirodi ne može da im odoli.
Sjetite se poznate Newtonove formule: što je veća sila gravitacije, manji je kvadrat udaljenosti između tijela koja gravitiraju. Dakle, što materijalna formacija postaje gušća, što je njena veličina manja, što se gravitacijske sile brže povećavaju, to je neizbježnije njihov destruktivni zagrljaj.
Postoji lukava tehnika kojom se priroda bori s naizgled neograničenom kompresijom materije. Da bi to učinio, zaustavlja sam tok vremena u sferi djelovanja superdžinovskih gravitacijskih sila, a okovane mase materije su, takoreći, isključene iz našeg Univerzuma, zamrznute u čudnom letargičnom snu.
Prva od ovih "crnih rupa" kosmosa vjerovatno je već otkrivena. Prema pretpostavci sovjetskih naučnika O. K. Husejnova i A. Š. Novruzove, to je delta Blizanaca - dvostruka zvezda sa jednom nevidljivom komponentom.
Vidljiva komponenta ima masu 1,8 solara, a njen nevidljivi "partner" bi, prema proračunima, trebao biti četiri puta masivniji od vidljive. Ali od toga nema tragova: nemoguće je vidjeti najnevjerovatnije stvaranje prirode, "crnu rupu".
Sovjetski naučnik profesor K.P. Stanjukovič, kako kažu, „na vrhu pera“, pokazao je kroz čisto teorijske konstrukcije da čestice „zamrznute materije“ mogu biti veoma različite veličine.
- Moguće su njegove gigantske formacije, slične kvazarima, koji neprekidno zrače onoliko energije koliko zrače svih 100 milijardi zvijezda naše Galaksije.
- Moguće su mnogo skromnije nakupine, jednake samo nekoliko solarnih masa. I ti i drugi objekti mogu sami nastati iz obične, a ne „uspavane“ materije.
- A moguće su formacije sasvim druge klase, srazmjerne po masi elementarnim česticama.
Da bi oni nastali, potrebno je prvo materiju koja ih čini podvrgnuti gigantskom pritisku i otjerati u granice Schwarzschildove sfere – sfere u kojoj vrijeme za vanjskog posmatrača potpuno staje. Čak i ako se nakon toga pritisak čak i ukloni, čestice za koje je vrijeme stalo nastavit će postojati nezavisno od našeg Univerzuma.
plankeoni
Plankeoni su vrlo posebna klasa čestica. Oni poseduju, prema K.P. Stanjukoviču, izuzetno zanimljivo svojstvo: nose materiju u sebi u nepromenjenom obliku, kakav je bio pre milion i milijardi godina. Gledajući unutar plankeona, mogli smo vidjeti materiju kakva je bila u vrijeme rođenja našeg univerzuma. Prema teorijskim proračunima, u svemiru postoji oko 1080 plankeona, otprilike jedan plankeon u kocki prostora sa stranom od 10 centimetara. Inače, istovremeno sa Stanjukovičem i (bez obzira na njega, hipotezu o plankeonima izneo je akademik M. A. Markov. Samo im je Markov dao drugačije ime - maksimoni.
Posebna svojstva plankeona također se mogu koristiti za objašnjenje ponekad paradoksalnih transformacija elementarnih čestica. Poznato je da kada se dvije čestice sudaraju, nikada ne nastaju fragmenti, već nastaju druge elementarne čestice. Ovo je zaista nevjerovatno: u običnom svijetu, razbijajući vazu, nikada nećemo dobiti cijele šolje ili čak rozete. Ali pretpostavimo da u dubini svake elementarne čestice postoji plankeon, jedan ili nekoliko, a ponekad i mnogo plankeona.
U trenutku sudara čestica, čvrsto vezana „vreća“ plankeona se lagano otvara, neke čestice će „pasti“ u nju, a umesto da „iskoče“ one za koje smatramo da su nastale prilikom sudara. Istovremeno, plankeon će, kao vrijedan računovođa, osigurati sve "zakone očuvanja" usvojene u svijetu elementarnih čestica.
Pa, kakve veze ima mehanizam univerzalne gravitacije s tim?
"Odgovorne" za gravitaciju, prema hipotezi K. P. Stanjukoviča, su sitne čestice, takozvani gravitoni, koje kontinuirano emituju elementarne čestice. Gravitoni su toliko manji od potonjeg, kao što je zrnca prašine koja pleše u sunčevom zraku manja od globusa.
Zračenje gravitona se pridržava niza pravilnosti. Naročito im je lakše letjeti u tu oblast svemira. Koji sadrži manje gravitona. To znači da ako postoje dva nebeska tijela u svemiru, oba će zračiti gravitone pretežno "napolje", u smjerovima suprotnim jedno od drugog. To stvara impuls koji uzrokuje da se tijela približe jedno drugom, da se privlače.
Isaac Newton je sugerirao da između bilo kojeg tijela u prirodi postoje sile međusobne privlačnosti. Ove sile se nazivaju sile gravitacije ili sile gravitacije. Sila nezadržive gravitacije manifestuje se u svemiru, Sunčevom sistemu i na Zemlji.
Zakon gravitacije
Newton je generalizovao zakone kretanja nebeskih tijela i otkrio da je sila \ (F \) jednaka:
\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
gdje su \(m_1 \) i \(m_2 \) mase tijela u interakciji, \(R \) je udaljenost između njih, \(G \) je koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva gravitaciona konstanta. Numeričku vrijednost gravitacijske konstante eksperimentalno je odredio Cavendish, mjereći silu interakcije između olovnih kuglica.
Fizičko značenje gravitacione konstante proizlazi iz zakona univerzalne gravitacije. Ako a \(m_1 = m_2 = 1 \tekst(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , tada \(G = F \) , tj. gravitaciona konstanta je jednaka sili kojom se dva tijela od 1 kg privlače na udaljenosti od 1 m.
Numerička vrijednost:
\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .
Sile univerzalne gravitacije djeluju između bilo kojeg tijela u prirodi, ali postaju opipljive pri velikim masama (ili ako je barem masa jednog od tijela velika). Zakon univerzalne gravitacije ispunjen je samo za materijalne tačke i kuglice (u ovom slučaju kao udaljenost se uzima udaljenost između centara kuglica).
Gravitacija
Posebna vrsta univerzalne gravitacione sile je sila privlačenja tijela na Zemlju (ili na drugu planetu). Ova sila se zove gravitacije. Pod dejstvom ove sile sva tela dobijaju ubrzanje slobodnog pada.
Prema drugom Newtonovom zakonu \(g = F_T /m \) , dakle \(F_T = mg \) .
Ako je M masa Zemlje, R njen poluprečnik, m masa datog tijela, tada je sila gravitacije jednaka
\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
Sila gravitacije je uvijek usmjerena prema centru Zemlje. U zavisnosti od visine \ (h \) iznad površine Zemlje i geografske širine položaja tela, ubrzanje slobodnog pada dobija različite vrednosti. Na površini Zemlje iu srednjim geografskim širinama, ubrzanje slobodnog pada iznosi 9,831 m/s 2 .
Tjelesna težina
U tehnologiji i svakodnevnom životu, koncept tjelesne težine se široko koristi.
Tjelesna težina označeno sa \(P \) . Jedinica težine je njutn (N). Kako je težina jednaka sili kojom tijelo djeluje na oslonac, onda je, u skladu s trećim Newtonovim zakonom, težina tijela jednaka po veličini sili reakcije oslonca. Stoga, da bismo pronašli težinu tijela, potrebno je odrediti koliko je jednaka sila reakcije oslonca.
Pretpostavlja se da je tijelo nepomično u odnosu na oslonac ili ovjes.
Tjelesna težina i gravitacija razlikuju se po prirodi: tjelesna težina je manifestacija djelovanja međumolekularnih sila, a gravitacija ima gravitacijsku prirodu.
Stanje tijela u kojem je njegova težina nula naziva se bestežinsko stanje. Stanje bestežinskog stanja uočava se u avionu ili svemirskom brodu kada se kreće ubrzanjem slobodnog pada, bez obzira na smjer i vrijednost brzine njihovog kretanja. Izvan Zemljine atmosfere, kada su mlazni motori isključeni, na letjelicu djeluje samo sila univerzalne gravitacije. Pod dejstvom ove sile svemirski brod i sva tela u njemu kreću se istim ubrzanjem, pa se u brodu posmatra stanje bestežinskog stanja.
Javascript je onemogućen u vašem pretraživaču.ActiveX kontrole moraju biti omogućene da bi se izvršili proračuni!
