Newtonova klasična teorija gravitacije. Što je zakon univerzalne gravitacije: formula velikog otkrića
Po kojem ćeš me zakonu objesiti?
- I vješamo sve po jednom zakonu - zakonu univerzalne gravitacije.
Zakon gravitacije
Fenomen gravitacije je zakon univerzalne gravitacije. Dva tijela djeluju jedno na drugo silom koja je obrnuto razmjerna kvadratu udaljenosti između njih i izravno proporcionalna umnošku njihovih masa.
Matematički, ovaj veliki zakon možemo izraziti formulom
Gravitacija djeluje na golemim udaljenostima u svemiru. Ali Newton je tvrdio da se svi objekti međusobno privlače. Je li istina da se bilo koja dva objekta privlače? Zamislite, poznato je da vas Zemlja privlači dok sjedite na stolici. Ali jeste li ikada razmišljali o tome da se računalo i miš privlače? Ili olovka i pero na stolu? U ovom slučaju, u formulu zamijenimo masu olovke, masu olovke, podijelimo s kvadratom udaljenosti između njih, uzimajući u obzir gravitacijsku konstantu, dobivamo silu njihove međusobne privlačnosti. No, izaći će toliko malen (zbog male mase olovke i olovke) da ne osjetimo njegovu prisutnost. Druga je stvar kada su u pitanju Zemlja i stolica, ili Sunce i Zemlja. Mase su značajne, što znači da već možemo procijeniti učinak sile.
Razmislimo o ubrzanju slobodnog pada. Ovo je djelovanje zakona privlačnosti. Pod djelovanjem sile tijelo mijenja brzinu to sporije što je masa veća. Zbog toga sva tijela padaju na Zemlju istom akceleracijom.
Što je uzrok ove nevidljive jedinstvene moći? Do danas je poznato i dokazano postojanje gravitacijskog polja. Više o prirodi gravitacijskog polja možete saznati u dodatnom materijalu na temu.
Razmislite o tome što je gravitacija. Odakle je? Što to predstavlja? Uostalom, ne može biti da planet gleda u Sunce, vidi koliko je udaljeno, izračunava obrnuti 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 tijelu B i usmjerena je prema tijelu A. Odnosno "uzima" tijelo B i vuče ga prema sebi. . Tijelo B "radi" istu stvar s tijelom A.
Svako tijelo privlači zemlja. Zemlja "uzima" tijelo i vuče ga prema svom središtu. Stoga će ta sila uvijek biti usmjerena okomito prema dolje, a djeluje iz težišta tijela, naziva se gravitacija.
Glavna stvar koju treba zapamtiti
Neke metode geoloških istraživanja, predviđanja plime i oseke te, u novije vrijeme, proračuna kretanja umjetnih satelita i međuplanetarnih postaja. Rani izračun položaja planeta.
Možemo li sami postaviti takav eksperiment, a ne pogađati da li se planeti, objekti privlače?
Takvo izravno iskustvo napravljeno Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) - engleski fizičar i kemičar) pomoću uređaja prikazanog na slici. Ideja je bila objesiti štap s dvije kuglice na vrlo tanku kvarcnu nit, a zatim dvije velike olovne kuglice primaknuti im sa strane. Privlačenje kuglica lagano će uvrtati nit, jer su sile privlačenja između običnih predmeta vrlo slabe. Uz pomoć takvog instrumenta Cavendish je mogao izravno izmjeriti silu, udaljenost i veličinu obiju masa i tako odrediti gravitacijska konstanta G.
Jedinstveno otkriće gravitacijske konstante G, koja karakterizira gravitacijsko polje u svemiru, omogućilo je određivanje mase Zemlje, Sunca i drugih nebeskih tijela. Stoga je Cavendish svoje iskustvo nazvao "vaganjem Zemlje".
Zanimljivo je da različiti zakoni fizike imaju neke zajedničke značajke. Okrenimo se zakonima elektriciteta (Coulombova sila). Električne sile su također obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti, ali već između naboja, i nehotice se nameće misao da ovaj obrazac ima duboko značenje. Nitko do sada nije uspio gravitaciju i elektricitet prikazati kao dvije različite manifestacije iste esencije.
Sila ovdje također varira obrnuto s kvadratom udaljenosti, ali je razlika u veličini električnih sila i gravitacijskih sila upečatljiva. Pokušavajući utvrditi zajedničku prirodu gravitacije i elektriciteta, nalazimo takvu superiornost električnih sila nad gravitacijskim silama da je teško povjerovati da obje imaju isti izvor. Kako možete reći da je jedan jači od drugog? Uostalom, sve ovisi kolika je masa i koliki je naboj. Raspravljajući o tome kako djeluje jaka gravitacija, nemate pravo reći: "Uzmimo masu takve i takve veličine", jer to 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 uspoređivati. Uzet ćemo elementarnu nabijenu česticu, kao što je, na primjer, elektron. Dvije elementarne čestice, dva elektrona, zbog električnog naboja odbijaju se silom obrnuto proporcionalnom kvadratu međusobne udaljenosti, a zbog gravitacije se ponovno privlače silom obrnuto proporcionalnom kvadratu udaljenosti. udaljenost.
Pitanje: Koliki je omjer gravitacijske sile i električne sile? Gravitacija je povezana s električnim odbijanjem kao jedan s brojem s 42 nule. Ovo je duboko zbunjujuće. Odakle može doći toliki broj?
Ljudi traže ovaj veliki faktor u drugim prirodnim fenomenima. Prolaze kroz razne velike brojeve, a ako želite veliki broj, zašto ne biste uzeli, recimo, omjer promjera svemira i promjera protona - začudo, i to je broj s 42 nule. I kažu: možda je taj koeficijent jednak omjeru promjera protona i promjera svemira? Ovo je zanimljiva misao, ali kako se svemir postupno širi, konstanta gravitacije također se 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 taj način. Ova golema brojka do danas ostaje misterij.
Einstein je morao modificirati zakone gravitacije u skladu s načelima relativnosti. Prvi od ovih principa kaže da se udaljenost x ne može prevladati trenutno, dok prema Newtonovoj teoriji sile djeluju trenutno. Einstein je morao promijeniti Newtonove zakone. Ove promjene, dorade su vrlo male. Jedna od njih je ova: budući da svjetlost ima energiju, energija je ekvivalentna masi, a sve mase se privlače, svjetlost se također privlači i, stoga, prolazeći pored Sunca, mora biti odbijena. Ovako se to zapravo događa. Sila gravitacije također je malo modificirana u Einsteinovoj teoriji. Ali ova vrlo mala promjena u zakonu gravitacije dovoljna je da objasni neke od očitih nepravilnosti u kretanju Merkura.
Fizičke pojave u mikrokozmosu podliježu drugim zakonima nego pojave u svijetu velikih razmjera. Postavlja se pitanje: kako se gravitacija manifestira u svijetu malih razmjera? Odgovor će dati kvantna teorija gravitacije. Ali još ne postoji kvantna teorija gravitacije. Ljudi još uvijek nisu bili vrlo uspješni u stvaranju teorije gravitacije koja je u potpunosti u skladu s kvantnomehaničkim načelima i načelom nesigurnosti.
Aristotel je tvrdio da masivni objekti padaju na tlo brže od lakih.
Galileo je početkom 17. stoljeća pokazao da svi objekti padaju "na isti način". Otprilike u isto vrijeme Kepler se zapitao što tjera planete da se kreću u svojim orbitama. Možda je to magnetizam? Isaac Newton, radeći na "", svodio je sva ta kretanja na djelovanje jedne sile zvane gravitacija, koja se pokorava jednostavnim univerzalnim zakonima.
Galileo je eksperimentalno pokazao da je put koji prijeđe tijelo koje pada pod utjecajem gravitacije proporcionalan kvadratu vremena pada: lopta koja pada dvije sekunde prevalit će četiri puta duže od istog tijela za jednu sekundu. Galileo je također pokazao da je brzina izravno proporcionalna vremenu pada, a iz toga je zaključio da topovska kugla leti paraboličnom putanjom - jednom od vrsta stožastih presjeka, poput elipsa po kojima se, prema Kepleru, kreću planeti. . Ali odakle dolazi ta veza?
Kad se Sveučilište u Cambridgeu zatvorilo tijekom Velike kuge sredinom 1660-ih, Newton se vratio u obiteljsku kuću i ondje formulirao svoj zakon gravitacije, iako ga je tajio još 20 godina. (Priča o paloj jabuci nije se čula sve dok osamdesetogodišnjak Newton nije ispričao priču nakon velike večere.)
Predložio je da svi objekti u svemiru stvaraju gravitacijsku silu koja privlači druge objekte (baš kao što jabuku privlači Zemlja), a upravo ta gravitacijska sila određuje putanje po kojima se zvijezde, planeti i druga nebeska tijela kreću u svemiru.
Isaac Newton ispričao je u svojim kasnim danima kako se to dogodilo: šetao je voćnjakom jabuka na roditeljskom imanju i iznenada ugledao mjesec na dnevnom nebu. I pred njegovim očima jabuka se otkinula s grane i pala na zemlju. Budući da je Newton u isto vrijeme radio na zakonima gibanja, već je znao da je jabuka pala pod utjecajem gravitacijskog polja Zemlje. Također je znao da Mjesec ne visi samo na nebu, već se okreće u orbiti oko Zemlje, pa stoga na njega djeluje neka vrsta sile koja ga sprječava da izleti iz orbite i odleti pravocrtno. , u otvoreni prostor. Tada mu je palo na pamet da je možda ista sila koja tjera jabuku da padne na zemlju i mjesec da ostane u orbiti oko Zemlje.
Zakon inverznog kvadrata
Newton je uspio izračunati veličinu Mjesečeve akceleracije pod utjecajem Zemljine gravitacije i otkrio da je ona tisućama puta manja od akceleracije objekata (iste jabuke) u blizini Zemlje. Kako to može biti ako se kreću pod utjecajem iste sile?
Newtonovo objašnjenje bilo je da gravitacija slabi s udaljenošću. Objekt na površini Zemlje nalazi se 60 puta bliže središtu planeta od Mjeseca. Privlačenje u mjesečevoj orbiti je 1/3600, odnosno 1/602, onoga što djeluje na jabuku. Dakle, sila privlačenja između dvaju objekata - bilo da su to Zemlja i jabuka, Zemlja i Mjesec ili Sunce i komet - obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti koja ih dijeli. Udvostručite udaljenost i sila se smanjuje četiri puta, utrostručite - sila postaje devet puta manja itd. Sila ovisi i o masi tijela - što je veća masa, to je gravitacija jača.
Zakon univerzalne gravitacije može se napisati kao formula:
F = G(Mm/r2).
Gdje je: gravitacijska sila jednaka umnošku veće mase M i manje težine m podijeljeno s kvadratom udaljenosti između njih r2 i pomnoženo s gravitacijskom 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). Newtonovi zakoni su izvrsni u predviđanju sila i gibanja u sustavu dvaju tijela. Ali kada se doda i treći, sve postaje puno kompliciranije i vodi (nakon 300 godina) u matematiku kaosa.
« Fizika - 10. razred"
Zašto se mjesec kreće oko Zemlje?
Što se događa ako mjesec stane?
Zašto se planeti okreću oko Sunca?
U 1. poglavlju se detaljno raspravljalo o tome da globus daje istu akceleraciju svim tijelima u blizini površine Zemlje - akceleraciju slobodnog pada. Ali ako globus daje ubrzanje tijelu, onda, prema drugom Newtonovom zakonu, djeluje na tijelo nekom silom. Sila kojom zemlja djeluje na tijelo naziva se gravitacija. Prvo, pronađimo ovu silu, a zatim razmotrimo silu univerzalne gravitacije.
Modulo ubrzanje određeno je iz drugog Newtonovog zakona:
U općem slučaju ovisi o sili koja djeluje na tijelo i njegovoj masi. Kako ubrzanje slobodnog pada ne ovisi o masi, jasno je da sila gravitacije mora biti proporcionalna masi:
Fizikalna veličina je akceleracija slobodnog pada, konstantna je za sva tijela.
Na temelju formule F = mg možete odrediti jednostavnu i praktično praktičnu metodu za mjerenje mase tijela usporedbom mase određenog tijela sa standardnom jedinicom mase. Omjer masa dvaju tijela jednak je omjeru sila teže koje djeluju na tijela:
To znači da su mase tijela jednake ako su iste sile gravitacije koje na njih djeluju.
To je osnova za određivanje masa vaganjem na opružnoj ili vagi. Osiguravanjem da se sila pritiska tijela na vagu, jednaka sili gravitacije koja djeluje na tijelo, uravnoteži sa silom pritiska utega na drugim vagama, jednakom sili gravitacije koja djeluje na utege. , time određujemo masu tijela.
Sila gravitacije koja djeluje na određeno tijelo u blizini Zemlje može se smatrati konstantnom samo na određenoj geografskoj širini u blizini Zemljine površine. Ako se tijelo podigne ili pomakne na mjesto s drugom geografskom širinom, tada će se promijeniti ubrzanje slobodnog pada, a time i sila gravitacije.
Sila gravitacije.
Newton je prvi rigorozno dokazao da je razlog koji uzrokuje pad kamena na Zemlju, kretanje Mjeseca oko Zemlje i planeta oko Sunca, isti. to sila gravitacije djelujući između bilo kojeg tijela svemira.
Newton je došao do zaključka da bi putanja kamena bačenog s visoke planine (sl. 3.1) određenom brzinom mogla postati takva da on nikada ne bi uopće dosegnuo površinu Zemlje, već bi kretati se oko njega kao što planeti opisuju svoje orbite na nebu.
Newton je pronašao ovaj razlog i uspio ga je precizno izraziti u obliku jedne formule - zakona univerzalne gravitacije.
Budući da sila univerzalne gravitacije daje jednaku akceleraciju 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 ... svi planeti gravitiraju jedni prema drugima ...” I. Newton
Ali budući da npr. Zemlja djeluje na Mjesec silom proporcionalnom masi Mjeseca, onda i Mjesec, prema trećem Newtonovom zakonu, mora istom silom djelovati na Zemlju. Štoviše, ta sila mora biti proporcionalna masi Zemlje. Ako je gravitacijska sila doista univerzalna, tada sa strane danog tijela na svako drugo tijelo mora djelovati sila proporcionalna masi tog drugog tijela. Prema tome, sila univerzalne gravitacije mora biti proporcionalna umnošku masa tijela koja međusobno djeluju. Iz toga slijedi formulacija zakona univerzalne gravitacije.
Zakon gravitacije:
Sila međusobnog privlačenja dvaju tijela izravno je proporcionalna umnošku masa tih tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih:
Faktor proporcionalnosti G naziva se gravitacijska konstanta.
Gravitacijska konstanta brojčano je jednaka sili privlačenja između dviju materijalnih točaka mase 1 kg svaka, ako je udaljenost između njih 1 m. Uostalom, s masama m 1 \u003d m 2 \u003d 1 kg i udaljenosti r \u003d 1 m, dobivamo G \u003d F (numerički).
Treba imati na umu da zakon univerzalne gravitacije (3.4) kao univerzalni zakon vrijedi za materijalne točke. U ovom slučaju, sile gravitacijske interakcije usmjerene su duž linije koja povezuje te točke (slika 3.2, a).
Može se pokazati da homogena tijela koja imaju oblik lopte (čak i ako se ne mogu smatrati materijalnim točkama, sl. 3.2, b) također djeluju sa silom definiranom formulom (3.4). U ovom slučaju, r je udaljenost između središta kuglica. Sile međusobnog privlačenja leže na pravoj liniji koja prolazi središtima kuglica. Takve se sile nazivaju središnji. Tijela čiji pad na Zemlju obično razmatramo mnogo su manja od polumjera Zemlje (R ≈ 6400 km).
Takva se tijela, bez obzira na njihov oblik, mogu smatrati materijalnim točkama, a sila njihovog privlačenja prema Zemlji može se odrediti prema zakonu (3.4), imajući u vidu da je r udaljenost od zadanog tijela do središta tijela. Zemlja.
Kamen bačen na Zemlju će pod djelovanjem gravitacije skrenuti s ravne putanje i, nakon što je opisao zakrivljenu putanju, konačno će pasti na Zemlju. Ako ga baciš većom brzinom, padat će dalje.” I. Newton
Definicija gravitacijske konstante.
Sada saznajmo kako možete pronaći gravitacijsku konstantu. Prije svega, imajte na umu da G ima specifično ime. To je zbog činjenice da su jedinice (i, sukladno tome, imena) svih veličina uključenih u zakon univerzalne gravitacije već ranije utvrđene. Zakon gravitacije daje novu vezu između poznatih veličina s 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 neovisno odrediti sve veličine uključene u zakon univerzalne gravitacije: i mase, silu i udaljenost između tijela.
Poteškoća je u tome što su gravitacijske sile između tijela malih masa izuzetno male. Upravo iz tog razloga ne primjećujemo privlačnost našeg tijela prema okolnim predmetima i međusobno privlačenje objekata, 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 pokusi.
Gravitacijsku konstantu prvi je izmjerio engleski fizičar G. Cavendish 1798. pomoću uređaja koji se naziva torzijska vaga. Shema torzijske vage prikazana je na slici 3.3. Lagana klackalica s dva ista utega na krajevima obješena je na tanku elastičnu nit. U blizini su nepomično fiksirane dvije teške lopte. Između utega i nepokretne lopte djeluju gravitacijske sile. Pod utjecajem tih sila klackalica se okreće i uvija nit sve dok se nastala elastična sila ne izjednači s gravitacijskom silom. Kut uvijanja može se koristiti za određivanje sile privlačenja. Da biste to učinili, trebate znati samo elastična svojstva niti. Mase tijela su poznate, a udaljenost između središta tijela koja međusobno djeluju može se izravno mjeriti.
Iz ovih pokusa dobivena je sljedeća vrijednost gravitacijske konstante:
G \u003d 6,67 10 -11 N m 2 / kg 2.
Samo u slučaju kada tijela ogromnih masa međusobno djeluju (ili je barem masa jednog od tijela vrlo velika), gravitacijska sila doseže veliku vrijednost. Na primjer, Zemlja i Mjesec se međusobno privlače silom F ≈ 2 10 20 N.
Ovisnost ubrzanja slobodnog pada tijela o geografskoj širini.
Jedan od razloga povećanja ubrzanja slobodnog pada pri pomicanju točke u kojoj se tijelo nalazi od ekvatora prema polovima je taj što je kugla donekle spljoštena na polovima i udaljenost od središta Zemlje do njezine površine. na polovima je manji nego na ekvatoru. Drugi razlog je rotacija Zemlje.
Jednakost inercijskih i gravitacijskih masa.
Najupečatljivije svojstvo gravitacijskih sila je da daju jednaku akceleraciju svim tijelima, bez obzira na njihovu masu. Što biste rekli o nogometašu čiji bi udarac podjednako ubrzao običnu kožnu loptu i uteg od dva kilograma? Svi će reći da je to nemoguće. Ali Zemlja je upravo takav “izvanredan nogometaš”, s tom razlikom što njezino djelovanje na tijela nema karakter kratkotrajnog udara, već kontinuirano traje milijardama godina.
U Newtonovoj teoriji, masa je izvor gravitacijskog polja. Nalazimo se u gravitacijskom polju Zemlje. Ujedno smo i izvori gravitacijskog polja, ali zbog činjenice da je naša masa znatno manja od mase Zemlje, naše polje je puno slabije i okolni objekti ne reagiraju na njega.
Neobično svojstvo gravitacijskih sila, kao što smo već rekli, objašnjava se činjenicom da su te sile proporcionalne masama oba tijela koja međusobno djeluju. Masa tijela, koja je uključena u drugi Newtonov zakon, određuje inercijalna svojstva tijela, odnosno njegovu sposobnost da pod djelovanjem zadane sile postigne određeno ubrzanje. to inercijalna masa m i.
Čini se, kakvu to vezu može imati sa sposobnošću tijela da privlače jedno drugo? Masa koja određuje sposobnost tijela da se međusobno privlače je gravitacijska masa m r .
Iz Newtonove mehanike uopće ne proizlazi da su inercijalna i gravitacijska masa iste, tj.
m i = m r . (3.5)
Jednakost (3.5) je izravna posljedica iskustva. To znači da se jednostavno može govoriti o masi tijela kao kvantitativnoj mjeri njegovih inercijskih i gravitacijskih svojstava.
Ne samo najtajnovitiji sile prirode ali i najmoćniji.
Čovjek na putu napretka
Povijesno je bilo ljudski dok se krećete naprijed putevi napretka ovladao sve moćnijim silama prirode. Počeo je kad nije imao ništa osim štapa u šaci i vlastite fizičke snage.
Ali bio je mudar i stavio je fizičku snagu životinja u svoju službu, učinivši ih domaćima. Konj je ubrzao trk, deva pustinju učini prohodnom, slon močvarnu džunglu. Ali tjelesne snage i najjačih životinja neizmjerno su male u usporedbi sa silama prirode.
Prva osoba je pokorila element vatre, ali samo u njegovim najoslabljenijim inačicama. U početku je - stoljećima - kao gorivo koristio samo drvo - vrlo niskoenergetski intenzivnu vrstu goriva. Nešto kasnije, naučio je koristiti energiju vjetra iz ovog izvora energije, čovjek je podigao bijelo krilo jedra u zrak - i lagani brod poletio je poput ptice iznad valova.
Jedrilica na valovima
Izložio je lopatice vjetrenjača naletima vjetra - i teško kamenje mlinova se zavrtjelo, tutkovi žrvnjeva zveckali. Ali svima je jasno da je energija mlaznica zraka daleko od koncentrirane. Osim toga, i jedro i vjetrenjača bojali su se udara vjetra: oluja je trgala jedra i potapala brodove, oluja je lomila krila i prevrtala mlinove.
Još kasnije čovjek je počeo osvajati vodu koja teče. Kotač nije samo najprimitivniji uređaj koji može pretvoriti energiju vode u rotacijsko gibanje, već je i najslabiji u usporedbi s raznim.
Čovjek je napredovao na ljestvici napretka i trebao mu je sve više energije.
Počeo je koristiti nove vrste goriva - već je prijelaz na izgaranje ugljena povećao energetski intenzitet kilograma goriva s 2500 kcal na 7000 kcal - gotovo tri puta. Onda je došlo vrijeme za naftu i plin. Ponovno se energetski sadržaj svakog kilograma fosilnih goriva povećao jedan i pol do dva puta.
Parne strojeve zamijenile su parne turbine; mlinska kola zamijenjena su hidrauličkim turbinama. Zatim je čovjek pružio ruku prema fisijskom atomu urana. No, prva uporaba nove vrste energije imala je tragične posljedice - nuklearni plamen Hirošime 1945. spalio je 70 tisuća ljudskih srca u roku od nekoliko minuta.
Godine 1954. proradila je prva sovjetska nuklearna elektrana na svijetu, pretvarajući snagu urana u snagu zračenja električne struje. A valja znati da kilogram urana sadrži dva milijuna puta više energije nego kilogram najbolje nafte.
Bio je to temeljno novi požar, koji bi se mogao nazvati fizičkim, jer su upravo fizičari proučavali procese koji dovode do rađanja tako nevjerojatnih količina energije.
Uran nije jedino nuklearno gorivo. Već se koristi snažnija vrsta goriva - izotopi vodika.
Nažalost, čovjek još nije uspio obuzdati vodikovo-helijev nuklearni plamen. On zna kako na trenutak zapaliti svoju svegoruću vatru, zapalivši reakciju u hidrogenskoj bombi bljeskom eksplozije urana. Ali sve bliže i bliže, znanstvenici vide vodikov reaktor, koji će generirati električnu struju kao rezultat fuzije jezgri izotopa vodika u jezgre helija.
Opet, količina energije koju čovjek može uzeti iz svakog kilograma goriva povećat će se gotovo deset puta. Ali hoće li taj korak biti posljednji u nadolazećoj povijesti ljudske moći nad silama prirode?
Ne! Naprijed - ovladavanje gravitacijskim oblikom energije. Priroda ga je pakirala čak i razboritije nego čak i energiju fuzije vodika i helija. Danas je to najkoncentriraniji oblik energije o kojem čovjek može i naslutiti.
Tamo još nije vidljivo ništa dalje od vrhunske znanosti. I iako možemo pouzdano reći da će elektrane raditi za osobu, prerađujući gravitacijsku energiju u električnu struju (ili možda u struju plina koji izlazi iz mlaznice mlaznog motora, ili u planiranu transformaciju sveprisutnih atoma silicija i kisika, u atome ultrarijetkih metala), još ne možemo ništa reći o detaljima takve elektrane (raketni motor, fizički reaktor).
Sila univerzalne gravitacije u ishodištu rađanja galaksija
Sila univerzalne gravitacije je u ishodištu rađanja galaksija iz predzvjezdane materije, kako je uvjeren akademik V.A. Ambartsumyan. Također gasi zvijezde koje su istrošile svoje vrijeme, potrošivši zvjezdano gorivo koje im je dodijeljeno rođenjem.
Da, osvrnite se oko sebe: sve na Zemlji uvelike kontrolira ta sila.
Ona je ta koja određuje slojevitu strukturu našeg planeta - izmjenu litosfere, hidrosfere i atmosfere. Ona je ta koja čuva debeli sloj zračnih plinova na čijem dnu i zahvaljujući kojem svi postojimo.
Kad ne bi bilo gravitacije, Zemlja bi se smjesta izbila iz svoje orbite oko Sunca, a sama bi se kugla raspala, rastrgana centrifugalnim silama. Teško je pronaći nešto što ne bi, u jednom ili drugom stupnju, ovisilo o sili univerzalne gravitacije.
Naravno, antički filozofi, vrlo pažljivi ljudi, nisu mogli ne primijetiti da se kamen bačen prema gore uvijek vraća. Platon je u 4. stoljeću prije Krista to objasnio činjenicom da sve tvari svemira teže tamo gdje je koncentrirana većina sličnih tvari: bačeni kamen padne na tlo ili ode na dno, prolivena voda curi u najbliže jezerce ili u rijeku koja se probija do mora, dim vatre hrli u svoje srodne oblake.
Platonov učenik, Aristotel, pojasnio je da sva tijela imaju posebna svojstva težine i lakoće. Teška tijela - kamenje, metali - hrle u središte svemira, svjetlost - vatra, dim, pare - na periferiju. Ova hipoteza, koja objašnjava neke od fenomena povezanih sa silom univerzalne gravitacije, postoji više od 2 tisuće godina.
Znanstvenici o sili gravitacije
Vjerojatno prvi koji je postavio pitanje sila gravitacije stvarno znanstveni, bio je genij renesanse - Leonardo da Vinci. Leonardo je proglasio da gravitacija nije karakteristična samo za Zemlju, da ima mnogo gravitacijskih centara. Također je sugerirao da sila gravitacije ovisi o udaljenosti do centra gravitacije.
Radovi Kopernika, Galileja, Keplera, Roberta Hookea sve su više približavali ideju zakona univerzalne gravitacije, ali u svojoj konačnoj formulaciji ovaj zakon je zauvijek povezan s imenom Isaaca Newtona.
Isaac Newton o sili gravitacije
Rođen 4. siječnja 1643. Diplomirao je na Sveučilištu Cambridge, postao prvostupnik, zatim - magistar znanosti.
Isaac Newton Sve što slijedi nepregledno je bogatstvo znanstvenih radova. Ali njegovo glavno djelo su "Matematički principi prirodne filozofije", objavljeno 1687. i obično se jednostavno naziva "Počeci". U njima je formulirano veliko. Vjerojatno ga se svi sjećaju iz srednje škole.
Sva se tijela međusobno privlače silom koja je izravno proporcionalna umnošku masa tih tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih ...
Neke odredbe ove formulacije mogli su anticipirati Newtonovi prethodnici, ali ona još nikome nije dana u cijelosti. Newtonov genij bio je potreban da sastavi te fragmente u jednu cjelinu kako bi se proširila privlačnost Zemlje na Mjesec, a Sunca - na cijeli planetarni sustav.
Iz zakona univerzalne gravitacije Newton je izveo sve zakone gibanja planeta koje je prije otkrio Kepler. One su jednostavno bile njegove posljedice. Štoviše, Newton je pokazao da su ne samo Keplerovi zakoni, nego i odstupanja od tih zakona (u svijetu tri ili više tijela) rezultat univerzalne gravitacije... Bio je to veliki trijumf znanosti.
Činilo se da je konačno otkrivena i matematički opisana glavna sila prirode koja pokreće svjetove, sila kojoj su podložne molekule zraka, i jabuke, i Sunca. Divovski, neizmjerno golem bio je Newtonov korak.
Prvi popularizator djela briljantnog znanstvenika, francuski pisac Francois Marie Arouet, svjetski poznat pod pseudonimom Voltaire, rekao je da je Newton iznenada pogodio postojanje zakona nazvanog po njemu, gledajući jabuku koja pada.
Sam Newton nikada nije spomenuo ovu jabuku. I teško da danas vrijedi gubiti vrijeme na opovrgavanje ove lijepe legende. I, očito, Newton je shvatio veliku moć prirode logičkim zaključivanjem. Vjerojatno je bio uključen u odgovarajuće poglavlje "Početaka".
Sila gravitacije utječe na let jezgre
Pretpostavimo da smo na vrlo visokoj planini, tako visokoj da joj je vrh već izvan atmosfere, postavili golemo topničko oružje. Njegova cijev postavljena je strogo paralelno s površinom globusa i ispaljena. Opisivanje luka jezgra pada na zemlju.
Povećavamo punjenje, poboljšavamo kvalitetu baruta, na ovaj ili onaj način tjeramo jezgru da se kreće većom brzinom nakon sljedećeg hica. Luk koji opisuje jezgra postaje ravniji. Jezgra pada mnogo dalje od podnožja naše planine.
Također povećavamo punjenje i pucamo. Jezgra leti tako blagom putanjom da se spušta paralelno s površinom globusa. Jezgra više ne može pasti na Zemlju: istom brzinom kojom pada, Zemlja bježi ispod nje. I nakon opisa prstena oko našeg planeta, jezgra se vraća na početnu točku.
U međuvremenu se pištolj može ukloniti. Uostalom, let jezgre oko svijeta trajat će više od sat vremena. A tada će jezgra brzo preletjeti vrh planine i otići u novi krug oko Zemlje. Pad, ako, kao što smo se dogovorili, jezgra ne doživi nikakav otpor zraka, to nikada neće moći.
Brzina jezgre za to bi trebala biti blizu 8 km/s. A ako povećate brzinu leta jezgre? Prvo će letjeti u luku, blažem od zakrivljenosti zemljine površine, i početi se udaljavati od Zemlje. Istovremeno će se njegova brzina pod utjecajem Zemljine teže smanjiti.
I, konačno, okrećući se, počet će, tako reći, padati natrag na Zemlju, ali će proletjeti pored nje i više neće završiti krug, već elipsu. Jezgra 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 žarišta nalaziti središte našeg planeta.
Ako dodatno povećamo početnu brzinu jezgre, elipsa će ispasti više rastegnuta. Moguće je rastegnuti ovu elipsu na takav način da će jezgra doći do Mjesečeve orbite ili čak mnogo dalje. Ali sve dok početna brzina ove jezgre ne prijeđe 11,2 km/s, ona će ostati satelit Zemlje.
Jezgra, koja je pri ispaljivanju dobila brzinu od preko 11,2 km / s, zauvijek će odletjeti od Zemlje duž parabolične putanje. Ako je elipsa zatvorena krivulja, onda je parabola krivulja koja ima dvije grane koje idu u beskonačnost. Krećući se elipsom, koliko god izdužena bila, neizbježno ćemo se sustavno vraćati na početnu točku. Krećući se po paraboli nikada se nećemo vratiti na početnu točku.
Ali, napustivši Zemlju ovom brzinom, jezgra još neće moći letjeti u beskonačnost. Snažna gravitacija Sunca će saviti putanju njegova leta, zatvoriti se oko sebe poput putanje planeta. Jezgra će postati Zemljina sestra, maleni planet u našoj obitelji planeta.
Da bi se jezgra usmjerila izvan planetarnog sustava, da bi se prevladala sunčeva privlačnost, potrebno joj je odrediti brzinu veću od 16,7 km/s, i usmjeriti je tako da se toj brzini doda brzina vlastitog gibanja Zemlje. .
Brzina od oko 8 km/s (ova brzina ovisi o visini planine s koje naša puška puca) 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 navedene vrijednosti ovih brzina vrijede samo za Zemlju. Da živimo na Marsu, kružnu brzinu bi nam bilo puno lakše postići - ona je ondje tek oko 3,6 km/s, a parabolična tek nešto više od 5 km/s.
S druge strane, bilo bi puno teže poslati jezgru u svemirski let s Jupitera nego sa Zemlje: kružna brzina na ovom planetu iznosi 42,2 km/s, a parabolična čak 61,8 km/s!
Najteže bi bilo stanovnicima Sunca napustiti svoj svijet (ako takav, naravno, postoji). Kružna brzina ovog diva trebala bi biti 437,6, a brzina odvajanja - 618,8 km / s!
Tako je Newton krajem 17. stoljeća, sto godina prije prvog leta balona na vrući zrak ispunjenog toplim zrakom braće Montgolfier, dvjesto godina prije prvih letova aviona braće Wright, a gotovo četvrtina tisućljeća prije polijetanja prvih tekućih raketa, satelitima i svemirskim brodovima ukazao je put u nebo.
Sila gravitacije svojstvena je svakoj kugli
Pomoću zakon gravitacije otkriveni su nepoznati planeti, stvorene su kozmogonijske hipoteze o nastanku Sunčeva sustava. Glavna sila prirode, koja upravlja zvijezdama, planetima, jabukama u vrtu i molekulama plina u atmosferi, otkrivena je i matematički opisana.
Ali mi ne znamo mehanizam univerzalne gravitacije. Newtonova gravitacija ne objašnjava, već vizualno predstavlja trenutno stanje planetarnog gibanja.
Ne znamo što uzrokuje međudjelovanje svih tijela u Svemiru. I ne može se reći da Newton nije bio zainteresiran za ovaj razlog. Dugo je godina razmišljao o njegovom mogućem mehanizmu.
Usput, ovo je doista izuzetno tajanstvena moć. Sila koja se manifestira kroz stotine milijuna kilometara prostora, na prvi pogled lišena bilo kakvih materijalnih tvorevina pomoću kojih bi se mogao objasniti prijenos interakcije.
Newtonove hipoteze
I Newton pribjegao hipoteza o postojanju stanovitog etera koji navodno ispunjava cijeli Svemir. Godine 1675. objasnio je privlačnost prema Zemlji činjenicom da eter koji ispunjava cijeli Svemir juri u središte Zemlje u neprekidnim strujama, zahvaćajući sve objekte u tom kretanju i stvarajući gravitacijsku silu. Isti tok etera hrli prema Suncu i, vukući planete, komete, osigurava njihove eliptične putanje...
Bila je to ne baš uvjerljiva, iako apsolutno matematički logična hipoteza. Ali sada, 1679. godine, Newton je stvorio novu hipotezu koja objašnjava mehanizam gravitacije. Ovaj put on daje eteru svojstvo da ima različitu koncentraciju u blizini planeta i daleko od njih. Što je dalje od središta planeta, eter je navodno gušći. I ima svojstvo istiskivanja svih materijalnih tijela iz njihovih gušćih slojeva u manje gušće. I sva su tijela istisnuta na površinu Zemlje.
Godine 1706. Newton oštro poriče samo postojanje etera. Godine 1717. ponovno se vraća hipotezi o istiskivanju etera.
Genijalni Newtonov mozak borio se oko rješenja velike misterije i nije ga pronašao. To objašnjava tako oštro bacanje s jedne na drugu stranu. Newton je govorio:
Ne postavljam hipoteze.
I premda, kako smo se samo mogli uvjeriti, to nije sasvim točno, svakako možemo ustvrditi nešto drugo: Newton je uspio jasno razlučiti stvari koje su nepobitne od nepostojanih i kontroverznih hipoteza. I u Elementima postoji formula velikog zakona, ali nema pokušaja da se objasni njegov mehanizam.
Veliki fizičar je ovu zagonetku ostavio u nasljedstvo čovjeku budućnosti. Umro je 1727. godine.
Ni danas nije riješeno.
Rasprava o fizičkoj biti Newtonovog zakona trajala je dva stoljeća. I možda se ova rasprava ne bi ticala same biti zakona, kada bi on točno odgovorio na sva pitanja koja su mu postavljena.
No činjenica je da se s vremenom pokazalo da taj zakon nije univerzalan. Da ima slučajeva kada ne može objasniti ovaj ili onaj fenomen. Navedimo primjere.
Sila gravitacije u Seeligerovim proračunima
Prvi od njih je Seeligerov paradoks. Smatrajući Svemir beskonačnim i ravnomjerno ispunjenim materijom, Seeliger je pokušao izračunati, prema Newtonovom zakonu, univerzalnu gravitacijsku silu koju stvara cjelokupna beskonačno velika masa beskonačnog Svemira u nekoj točki u njemu.
Nije to bio lak zadatak sa stajališta čiste matematike. Prevladavši sve poteškoće najsloženijih transformacija, Seeliger je ustanovio da je željena sila univerzalne gravitacije proporcionalna polumjeru svemira. A budući da je taj radijus jednak beskonačnosti, onda gravitacijska sila mora biti beskonačno velika. Međutim, to ne vidimo u praksi. To znači da zakon univerzalne gravitacije ne vrijedi za cijeli svemir.
Međutim, moguća su i druga objašnjenja paradoksa. Na primjer, možemo pretpostaviti da materija ne ispunjava ravnomjerno cijeli Svemir, već se njezina gustoća postupno smanjuje i na kraju, negdje jako daleko materije uopće nema. Ali zamisliti takvu sliku znači priznati mogućnost postojanja prostora bez materije, što je općenito apsurdno.
Možemo pretpostaviti da sila teže slabi brže nego što raste kvadrat udaljenosti. Ali to baca sumnju na iznenađujuću harmoniju Newtonovog zakona. Ne, i ovo objašnjenje nije zadovoljilo znanstvenike. Paradoks je ostao paradoks.
Promatranja kretanja Merkura
Donijela je još jedna činjenica, djelovanje sile univerzalne gravitacije, koja nije objašnjena Newtonovim zakonom promatranje gibanja Merkura- najbliže planetu. Točni izračuni prema Newtonovom zakonu pokazali su da bi se perehelij - točka elipse po kojoj se Merkur kreće najbliže Suncu - trebao pomaknuti za 531 lučnu sekundu u 100 godina.
I astronomi su otkrili da je taj pomak jednak 573 lučne sekunde. Ovaj višak - 42 kutne sekunde - znanstvenici također nisu mogli objasniti, koristeći se samo formulama koje proizlaze iz Newtonovog zakona.
Objasnio je i Seeligerov paradoks, i pomak Merkurovog perhelija, i mnoge druge paradoksalne pojave 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 izravno problema gravitacije. Vezao se za optiku, za svjetlo. Točnije, na definiciju njegove brzine.
Danski astronom prvi je odredio brzinu svjetlosti. Olaf Remer gledajući pomrčinu Jupiterovih mjeseca. To se dogodilo već 1675. godine.
američki fizičar Albert Michelson krajem 18. stoljeća proveo je niz određivanja brzine svjetlosti u zemaljskim uvjetima, koristeći aparat koji je sam dizajnirao.
Godine 1927. dao je brzinu svjetlosti kao 299796 + 4 km/s, što je bila izvrsna točnost za ono vrijeme. Ali bit stvari je drugačija. Godine 1880. odlučio je istražiti eterični vjetar. Želio je konačno utvrditi postojanje upravo tog etera, čijom su prisutnošću pokušali objasniti i prijenos gravitacijske interakcije i prijenos svjetlosnih valova.
Michelson je vjerojatno bio najistaknutiji eksperimentator svog vremena. Imao je izvrsnu opremu. I bio je gotovo siguran u uspjeh.
Suština iskustva
Iskustvo bila zamišljena ovako. Zemlja se po svojoj orbiti kreće brzinom od oko 30 km/s.. Kreće se kroz zrak. To znači da brzina svjetlosti iz izvora koji je ispred prijemnika u odnosu na kretanje Zemlje mora biti veća nego iz izvora koji je s druge strane. U prvom slučaju, brzina eteričnog vjetra mora se dodati brzini svjetlosti; u drugom slučaju, brzina svjetlosti mora se smanjiti za tu vrijednost.
Naravno, brzina Zemlje u njenoj orbiti oko Sunca je samo jedna desettisućinka brzine svjetlosti. Pronaći tako mali pojam je vrlo teško, ali Michelsona su s razlogom nazivali kraljem preciznosti. Upotrijebio je genijalan način da uhvati "neuhvatljivu" razliku u brzinama zraka svjetlosti.
Snop je razdvojio na dva jednaka toka i usmjerio ih u međusobno okomitim smjerovima: uz meridijan i uz paralelu. Odražene od ogledala, zrake su se vratile. Ako je zraka koja ide duž paralele iskusila utjecaj eteričnog vjetra, kada se ona doda meridionalnoj zraki, trebale bi nastati interferentne pruge, valovi dviju zraka bili bi pomaknuti u fazi.
Međutim, Michelsonu je bilo teško izmjeriti staze obje zrake s tako velikom točnošću da budu potpuno jednake. Stoga je napravio aparat tako da nema interferencijskih pruga, a zatim ga je okrenuo za 90 stupnjeva.
Meridijalni snop je postao širinski i obrnuto. Ako puše eterični vjetar, ispod okulara bi se trebale pojaviti crne i svijetle pruge! Ali nisu. Možda ga je znanstvenik pomaknuo dok je okretao uređaj.
Postavio ga je u podne i popravio. Uostalom, osim toga, on se i okreće oko svoje osi. I stoga, u različito doba dana, geografska širina zauzima različit položaj u odnosu na nadolazeći eterični vjetar. Sada, kada je aparat potpuno nepomičan, može se uvjeriti u točnost eksperimenta.
Ponovno nije bilo interferencijskih pruga. Pokus je izveden mnogo puta, a Michelson, a s njim i svi tadašnji fizičari, bili su zadivljeni. Eterični vjetar nije otkriven! Svjetlost je putovala u svim smjerovima istom brzinom!
Nitko to nije uspio objasniti. Michelson je ponavljao eksperiment uvijek iznova, poboljšavao opremu i na kraju postigao gotovo nevjerojatnu točnost mjerenja, red veličine veći nego što je bilo potrebno za uspjeh eksperimenta. I opet ništa!
Eksperimenti Alberta Einsteina
Sljedeći veliki korak u poznavanje sile gravitacije učinio Albert Einstein.
Albert Einstein je jednom upitan:
Kako ste došli do svoje posebne teorije relativnosti? Pod kojim okolnostima ste došli na briljantnu ideju? Znanstvenik je odgovorio: “Uvijek mi se činilo da je to tako.
Možda nije htio biti iskren, možda se htio riješiti dosadnog sugovornika. Ali teško je zamisliti da je Einsteinova ideja o povezanosti vremena, prostora i brzine bila urođena.
Ne, naravno, isprva je postojala slutnja, sjajna poput munje. Tada je krenuo razvoj. Ne, nema kontradikcija s poznatim fenomenima. I 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 svemirom. Odmah ćemo vas upozoriti: zvjezdani brod je vrlo neobičan, o kakvom niste čitali u znanstvenofantastičnim pričama. Duljina mu je 300 tisuća kilometara, a brzina mu je, recimo, 240 tisuća km/s. I ovaj svemirski brod leti pored jedne od međuplatformi u svemiru, bez zaustavljanja na njoj. Punom brzinom.
Jedan od putnika stoji na palubi zvjezdanog broda sa satom. A ti i ja, čitatelju, stojimo na platformi - njezina duljina mora odgovarati veličini zvjezdanog broda, odnosno 300 tisuća kilometara, inače se neće moći držati na njoj. A imamo i sat u rukama.
Primjećujemo da je u trenutku kada je pramac zvjezdanog broda uhvatio stražnji rub naše platforme, na njemu bljesnula svjetiljka osvjetljavajući prostor oko njega. Sekundu kasnije, zraka svjetlosti dosegla je prednji rub naše platforme. U to ne sumnjamo, jer znamo brzinu svjetlosti i uspjeli smo točno odrediti odgovarajući trenutak na satu. I na zvjezdanom brodu...
Ali i zvjezdani brod je poletio prema snopu svjetlosti. I sasvim smo sigurno vidjeli da mu je svjetlo obasjalo krmu u trenutku kada je bio negdje pri sredini platforme. Definitivno smo vidjeli da snop svjetlosti nije pokrio 300 tisuća kilometara od pramca do krme broda.
Ali putnici na palubi zvjezdanog broda sigurni su u nešto drugo. Sigurni su da je njihov snop pokrio cijelu udaljenost od pramca do krme od 300 tisuća kilometara. Uostalom, potrošio je na to cijelu sekundu. I oni su to apsolutno točno zabilježili na svojim satovima. A kako bi moglo biti drugačije: na kraju krajeva, brzina svjetlosti ne ovisi o brzini izvora ...
Kako to? Jedno vidimo s fiksne platforme, a drugo njima na palubi zvjezdanog broda? Što je bilo?
Einsteinova teorija relativnosti
Treba odmah napomenuti: Einsteinova teorija relativnosti na prvi pogled, apsolutno proturječi našoj ustaljenoj ideji strukture svijeta. Možemo reći da je i u suprotnosti sa zdravim razumom, kako smo to navikli predstavljati. To se dogodilo mnogo puta u povijesti znanosti.
Ali otkriće sferičnosti Zemlje bilo je u suprotnosti sa zdravim razumom. Kako ljudi mogu živjeti na suprotnoj strani, a ne pasti u ponor?
Za nas je sferičnost Zemlje nedvojbena činjenica, a sa stajališta zdravog razuma svaka druga pretpostavka je besmislena i divlja. Ali odmaknite se od svog vremena, zamislite prvo pojavljivanje ove ideje i shvatit ćete koliko bi je bilo teško prihvatiti.
Pa, je li bilo lakše priznati da Zemlja nije nepomična, nego leti svojom putanjom desetke puta brže od topovske kugle?
Sve su to bile olupine zdravog razuma. Stoga se moderni fizičari nikada ne pozivaju na to.
Vratimo se sada specijalnoj teoriji relativnosti. Svijet ju je prvi put prepoznao 1905. godine po članku koji potpisuje malo poznato ime - Albert Einstein. A imao je tada samo 26 godina.
Einstein je iz ovog paradoksa izveo vrlo jednostavnu i logičnu pretpostavku: sa stajališta promatrača na platformi, u automobilu u pokretu prošlo je manje vremena nego što je izmjerio vaš ručni sat. U automobilu je protok vremena usporen u odnosu na vrijeme na stacionarnoj platformi.
Iz te su pretpostavke logično proizašle sasvim nevjerojatne stvari. Pokazalo se da osoba koja putuje na posao u tramvaju, u usporedbi s pješakom koji ide istim putem, ne samo da štedi vrijeme zbog brzine, nego mu on ide i sporije.
Ipak, ne pokušavajte na taj način sačuvati vječnu mladost: čak i ako postanete kočijaš i provedete trećinu života u tramvaju, za 30 godina dobit ćete jedva više od milijuntinke sekunde. Da bi dobitak u vremenu postao vidljiv, potrebno je kretati se brzinom bliskom brzini svjetlosti.
Ispostavilo se da se povećanje brzine tijela odražava na njihovu masu. Što je brzina tijela bliža brzini svjetlosti, to je njegova masa veća. Pri brzini tijela koja je jednaka brzini svjetlosti, njegova masa je jednaka beskonačnosti, odnosno veća je od mase Zemlje, Sunca, Galaksije, cijelog našeg Svemira... Toliko iznosi masa može se koncentrirati u jednostavnoj kaldrmi, ubrzavajući je do brzine
Sveta!
Time se nameće ograničenje koje niti jednom materijalnom tijelu ne dopušta da razvije brzinu jednaku brzini svjetlosti. Uostalom, kako masa raste, sve ju je teže raspršiti. A beskonačnu masu ne može pokrenuti nikakva sila.
Međutim, priroda je napravila vrlo važnu iznimku od ovog zakona za cijelu klasu čestica. Na primjer, za fotone. Mogu se kretati brzinom svjetlosti. Točnije, ne mogu se kretati drugom brzinom. Nezamislivo je zamisliti nepomični foton.
Kada miruje, nema masu. Također, neutrini nemaju masu mirovanja, a također su osuđeni na vječni nesputani let kroz svemir najvećom mogućom brzinom u našem Svemiru, ne sustižući svjetlost i držeći je u korak.
Nije li istina da je svaka od posljedica specijalne teorije relativnosti koju smo naveli iznenađujuća, paradoksalna! I svaki je, naravno, protivan "zdravom razumu"!
Ali evo što je zanimljivo: ne u svom konkretnom obliku, već kao široku filozofsku poziciju, sve te nevjerojatne posljedice predvidjeli su utemeljitelji dijalektičkog materijalizma. Što govore ove implikacije? O vezama koje međusobno povezuju energija i masa, masa i brzina, brzina i vrijeme, brzina i duljina tijela koje se kreće…
Einsteinovo otkriće međuovisnosti, poput cementa (opširnije:), međusobnog povezivanja armature, odnosno kamena temeljca, povezalo je stvari i pojave koje su se dotad činile neovisne jedna o drugoj i stvorilo temelj na kojem je prvi put u povijesti znanosti nastala moguće izgraditi skladnu zgradu. Ova zgrada predstavlja način na koji funkcionira naš svemir.
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 međuovisnost između prostora i materije. Očigledno bi to bilo ispravnije nazvati prostorno-vremenska teorija, ili teorija gravitacije.
Ali ovo je ime toliko blisko sraslo s Einsteinovom teorijom da se čak i postavljanje pitanja njegove zamjene sada mnogim znanstvenicima čini nepristojnim.
Opća teorija relativnosti utvrdila je međuovisnost između materije i vremena i prostora koji je sadrže. Pokazalo se da prostor i vrijeme ne samo da se ne mogu zamisliti kao da postoje odvojeno od materije, već njihova svojstva ovise i o materiji koja ih ispunjava.
Polazište rasprave
Stoga se može samo navesti polazište rasprave i izvući neke važne zaključke.
Na početku svemirskog putovanja, neočekivana katastrofa uništila je knjižnicu, filmski fond i druge riznice uma, sjećanja na ljude koji su letjeli svemirom. A priroda rodnog planeta zaboravljena je u smjeni stoljeća. Čak je i zakon univerzalne gravitacije zaboravljen, jer raketa leti u međugalaktičkom prostoru, gdje se gotovo i ne osjeti.
No, 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. No ponekad upale motore i uspore ili ubrzaju kretanje broda. Kada mlazne mlaznice plamte u prazninu bezbojnim plamenom, a brod se kreće ubrzanom brzinom, stanovnici osjećaju da im tijela postaju teška, prisiljeni su hodati po brodu, a ne letjeti hodnicima.
I sada je let blizu završetka. Brod leti do jedne od zvijezda i pada u orbitu najprikladnijeg planeta. Zvjezdani brodovi se gase, hodajući po svježem zelenom tlu, neprestano doživljavajući isti osjećaj težine, poznat iz vremena kada se brod kretao ubrzanim tempom.
Ali planet se kreće ravnomjerno. Ne može letjeti prema njima konstantnom akceleracijom od 9,8 m/s2! I oni imaju prvu pretpostavku da gravitacijsko polje (gravitacijska sila) i ubrzanje daju isti učinak, a možda imaju i zajedničku prirodu.
Nitko od naših suvremenika zemljana nije bio na tako dugom letu, ali mnogi su ljudi osjetili fenomen "utega" i "olakšanja" svojih tijela. Već obično dizalo, kada se kreće ubrzanim tempom, stvara ovaj osjećaj. Pri spuštanju osjećate nagli gubitak težine, pri uspinjanju, naprotiv, pod pritišće vaše noge snažnije nego inače.
Ali jedan osjećaj ne dokazuje ništa. Uostalom, senzacije nas pokušavaju uvjeriti da se Sunce kreće nebom oko nepomične Zemlje, da su sve zvijezde i planeti na istoj udaljenosti od nas, na nebeskom svodu itd.
Znanstvenici su senzacije podvrgli eksperimentalnoj provjeri. Čak je i Newton razmišljao o čudnom identitetu dvaju fenomena. Pokušao im je dati brojčane karakteristike. Izmjerivši gravitacijske i , uvjerio se da su njihove vrijednosti uvijek strogo jednake jedna drugoj.
Od kojih god materijala napravio je njihala pilotske biljke: od srebra, olova, stakla, soli, drveta, vode, zlata, pijeska, pšenice. Rezultat je bio isti.
Načelo ekvivalencije, o kojem govorimo, temelj je opće teorije relativnosti, iako suvremenom tumačenju teorije to načelo više nije potrebno. Izostavljajući matematičke zaključke koji slijede iz ovog načela, prijeđimo izravno na neke posljedice opće teorije relativnosti.
Prisutnost velikih masa tvari uvelike utječe na okolni prostor. To dovodi do takvih promjena u njemu, koje se mogu definirati kao nehomogenosti prostora. Ove nehomogenosti usmjeravaju kretanje bilo koje mase koja se nalazi u blizini tijela koje privlači.
Obično pribjegavaju takvoj analogiji. Zamislite platno čvrsto nategnuto na okvir paralelan s površinom zemlje. Stavite veliku težinu na to. Ovo će biti naša velika privlačna masa. Ona će, naravno, saviti platno i završiti u nekom udubljenju. Sada kotrljajte lopticu preko ovog platna na način da dio njezine putanje leži uz privlačnu masu. Ovisno o tome kako će lopta biti lansirana, moguće su tri opcije.
- Lopta će odletjeti dovoljno daleko od udubljenja nastalog otklonom platna i neće promijeniti svoje kretanje.
- Lopta će dodirnuti udubljenje, a linije njezina kretanja savijat će se prema masi koja privlači.
- Lopta će pasti u tu rupu, neće moći iz nje izaći i napravit će jedan ili dva kruga oko gravitirajuće mase.
Nije li istina da treća opcija vrlo lijepo modelira hvatanje stranog tijela od strane zvijezde ili planeta koje je nemarno uletjelo 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 gravitacijskog polja. Da, praktično je, jer je teoretski gravitacijsko polje neograničeno.
Naravno, radi se o vrlo dalekoj analogiji, prvenstveno zato što nitko zapravo ne može zamisliti otklon našeg trodimenzionalnog prostora. Koje je fizičko značenje tog otklona, ili zakrivljenosti, kako se često kaže, nitko ne zna.
Iz opće teorije relativnosti proizlazi da se svako materijalno tijelo može gibati u gravitacijskom polju samo duž zakrivljenih linija. Samo u posebnim, posebnim slučajevima krivulja prelazi u ravnu liniju.
Zraka svjetlosti također poštuje ovo pravilo. Uostalom, sastoji se od fotona koji imaju određenu masu u letu. I gravitacijsko polje ima svoje djelovanje na njega, kao i na molekulu, asteroid ili planet.
Drugi važan zaključak je da gravitacijsko polje također mijenja tijek vremena. U blizini velike privlačne mase, u jakom gravitacijskom polju koje ona stvara, vrijeme bi trebalo teći sporije nego od nje.
Vidite, a opća teorija relativnosti prepuna je paradoksalnih zaključaka koji uvijek iznova mogu preokrenuti naše ideje o "zdravom razumu"!
Gravitacijski kolaps
Razgovarajmo o nevjerojatnom fenomenu kozmičke prirode - o gravitacijskom kolapsu (katastrofalna kompresija). Ovaj se fenomen događa u ogromnim nakupinama materije, gdje gravitacijske sile dosežu tako goleme veličine da im se nijedna druga sila koja postoji u prirodi ne može oduprijeti.
Sjetite se poznate Newtonove formule: što je veća sila gravitacije, to je manji kvadrat udaljenosti između gravitirajućih tijela. Dakle, što materijalna formacija postaje gušća, što je manja njena veličina, što se gravitacijske sile brže povećavaju, to je neizbježniji njihov destruktivni zagrljaj.
Postoji lukava tehnika kojom se priroda bori s naizgled bezgraničnom kompresijom materije. Da bi to učinio, zaustavlja sam tijek vremena u sferi djelovanja supergigantskih gravitacijskih sila, a okovane mase materije su takoreći isključene iz našeg Svemira, zamrznute u čudnom letargijskom snu.
Prva od ovih "crnih rupa" kozmosa vjerojatno je već otkrivena. Prema pretpostavci sovjetskih znanstvenika O. Kh. Huseynova i A. Sh. Novruzova, radi se o delti Gemini - dvostrukoj zvijezdi s jednom nevidljivom komponentom.
Vidljiva komponenta ima masu 1,8 solarne, a njen nevidljivi "partner" trebao bi biti, prema izračunima, četiri puta masivniji od vidljivog. Ali od toga nema tragova: nemoguće je vidjeti najčudesniju kreaciju prirode, "crnu rupu".
Sovjetski znanstvenik profesor K. P. Stanyukovich je, kako se to kaže, “na vrhu pera” čisto teorijskim konstrukcijama pokazao da čestice “smrznute tvari” mogu biti vrlo različite veličine.
- Moguće su njegove gigantske formacije, slične kvazarima, koje neprestano zrače toliko energije koliko zrači 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, ne "uspavane" materije.
- A moguće su i formacije sasvim druge klase, razmjerne mase s elementarnim česticama.
Da bi oni nastali, potrebno je najprije tvar koja ih čini podvrgnuti golemom pritisku i otjerati je u granice Schwarzschildove sfere - sfere u kojoj vrijeme za vanjskog promatrača potpuno staje. Pa čak i ako se nakon toga pritisak čak i ukloni, čestice za koje je vrijeme stalo nastavit će postojati neovisno o našem Svemiru.
plankeoni
Plankeoni su vrlo posebna klasa čestica. Oni posjeduju, prema K. P. Stanyukovichu, izuzetno zanimljivo svojstvo: nose materiju u sebi u nepromijenjenom obliku, onakvom kakva je bila prije milijune i milijarde godina. Gledajući unutar plankeona, mogli smo vidjeti materiju kakva je bila u vrijeme rođenja našeg svemira. Prema teoretskim izračunima, u Svemiru postoji oko 1080 plankeona, otprilike jedan plankeon u kocki prostora sa stranicom od 10 centimetara. Usput, u isto vrijeme kada i Stanjukovič i (bez obzira na njega, hipotezu o plankeonima iznio 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 pri sudaru dviju čestica nikada ne nastaju fragmenti, već nastaju druge elementarne čestice. Ovo je doista nevjerojatno: u običnom svijetu, razbijanjem vaze, nikada nećemo dobiti cijele šalice ili čak rozete. Ali pretpostavimo da u dubini svake elementarne čestice postoji plankeon, jedan ili nekoliko, a ponekad i više plankeona.
U trenutku sudara čestica, čvrsto vezana "vreća" plankeona lagano se otvara, u nju će "upasti" neke čestice, a umjesto "iskočiti" one za koje smatramo da su nastale prilikom sudara. Pritom će plankeon, kao marljivi računovođa, osigurati sve "zakone očuvanja" usvojene u svijetu elementarnih čestica.
Pa, kakve veze ima mehanizam univerzalne gravitacije s tim?
Za gravitaciju su, prema hipotezi K. P. Stanyukovicha, "odgovorne" sitne čestice, takozvani gravitoni, koje kontinuirano emitiraju elementarne čestice. Gravitoni su mnogo manji od potonjih, kao što je zrnca prašine koja pleše u sunčevoj zraci manja od kugle zemaljske.
Zračenje gravitona podliježe nizu pravilnosti. Konkretno, lakše im je letjeti u to područje svemira. Koji sadrži manje gravitona. To znači da ako u svemiru postoje dva nebeska tijela, oba će zračiti gravitone pretežno “prema van”, u smjerovima suprotnim jedno drugom. To stvara impuls koji uzrokuje da se tijela približavaju jedno drugome, da se privlače.
Isaac Newton je sugerirao da između svih tijela u prirodi postoje sile međusobnog privlačenja. Te se sile nazivaju gravitacijske sile ili sile gravitacije. Sila nezadržive gravitacije manifestira se u svemiru, Sunčevom sustavu i na Zemlji.
Zakon gravitacije
Newton je generalizirao zakone gibanja nebeskih tijela i utvrdio da je sila \ (F \) jednaka:
\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
gdje su \(m_1 \) i \(m_2 \) mase tijela koja međusobno djeluju, \(R \) je udaljenost između njih, \(G \) je koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva gravitacijska konstanta. Numeričku vrijednost gravitacijske konstante eksperimentalno je odredio Cavendish, mjereći silu međudjelovanja između olovnih kuglica.
Fizičko značenje gravitacijske konstante proizlazi iz zakona univerzalne gravitacije. Ako a \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , tada \(G = F \) , tj. gravitacijska konstanta jednaka je sili kojom se privlače dva tijela mase 1 kg na udaljenosti od 1 m.
Numerička vrijednost:
\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .
Sile univerzalne gravitacije djeluju između svih tijela u prirodi, ali one postaju opipljive pri velikim masama (ili ako je barem masa jednog od tijela velika). Zakon univerzalne gravitacije ispunjen je samo za materijalne točke i kuglice (u ovom slučaju se kao udaljenost uzima udaljenost između središta kuglica).
Gravitacija
Posebna vrsta univerzalne gravitacijske sile je sila privlačenja tijela prema Zemlji (ili prema drugom planetu). Ova sila se zove gravitacija. Pod djelovanjem te sile sva tijela poprimaju 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 teže jednaka
\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
Sila gravitacije uvijek je usmjerena prema središtu Zemlje. Ovisno o visini \ (h \) iznad Zemljine površine i geografskoj širini položaja tijela, ubrzanje slobodnog pada poprima različite vrijednosti. Na površini Zemlje iu srednjim geografskim širinama ubrzanje slobodnog pada iznosi 9,831 m/s 2 .
Tjelesna težina
U tehnologiji i svakodnevnom životu pojam tjelesne težine široko se koristi.
Tjelesna težina označen s \(P \) . Jedinica za težinu je newton (N). Kako je težina jednaka sili kojom tijelo djeluje na oslonac, onda je, u skladu s trećim Newtonovim zakonom, težina tijela po veličini jednaka sili reakcije oslonca. Dakle, da bi se našla težina tijela, potrebno je odrediti čemu je jednaka sila reakcije oslonca.
Pretpostavlja se da je tijelo nepomično u odnosu na oslonac ili ovjes.
Težina tijela i gravitacija razlikuju se po prirodi: težina tijela je manifestacija djelovanja međumolekulskih sila, a gravitacija ima gravitacijsku prirodu.
Stanje tijela u kojem je njegova težina nula naziva se bestežinsko stanje. Stanje bestežinskog stanja opaža se u zrakoplovu ili svemirskoj letjelici kada se kreću akceleracijom slobodnog pada, bez obzira na smjer i vrijednost brzine njihova kretanja. Izvan zemljine atmosfere, kada su mlazni motori isključeni, na letjelicu djeluje samo sila univerzalne gravitacije. Pod djelovanjem te sile svemirski brod i sva tijela u njemu gibaju se istom akceleracijom, pa se u brodu opaža bestežinsko stanje.
Javascript je onemogućen u vašem pregledniku.ActiveX kontrole moraju biti omogućene kako bi se vršili izračuni!
