Teoria clasică a gravitației a lui Newton. Care este legea gravitației universale: formula marii descoperiri
După ce lege ai de gând să mă spânzurezi?
- Și îi spânzurăm pe toți după o singură lege - legea gravitației universale.
Legea gravitației
Fenomenul gravitației este legea gravitației universale. Două corpuri acționează unul asupra celuilalt cu o forță care este invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele și direct proporțională cu produsul maselor lor.
Matematic, putem exprima această mare lege prin formula
Gravitația acționează pe distanțe mari în univers. Dar Newton a susținut că toate obiectele sunt atrase reciproc. Este adevărat că oricare două obiecte se atrag unul pe celălalt? Imaginează-ți doar, se știe că Pământul te atrage stând pe un scaun. Dar te-ai gândit vreodată la faptul că un computer și un mouse se atrag unul pe celălalt? Sau un creion și un pix pe masă? În acest caz, înlocuim masa stiloului, masa creionului în formulă, împărțim la pătratul distanței dintre ele, ținând cont de constanta gravitațională, obținem forța atracției lor reciproce. Dar, va iesi atat de mic (datorita maselor mici ale pixului si creionului) incat nu-i simtim prezenta. Un alt lucru este când vine vorba de Pământ și un scaun, sau de Soare și Pământ. Masele sunt semnificative, ceea ce înseamnă că deja putem evalua efectul forței.
Să ne gândim la accelerația în cădere liberă. Aceasta este operația legii atracției. Sub acțiunea unei forțe, corpul își schimbă viteza cu cât mai lent, cu atât masa este mai mare. Ca urmare, toate corpurile cad pe Pământ cu aceeași accelerație.
Care este cauza acestei puteri unice invizibile? Până în prezent, existența unui câmp gravitațional este cunoscută și dovedită. Puteți afla mai multe despre natura câmpului gravitațional în materialul suplimentar pe această temă.
Gândește-te la ce este gravitația. De unde este? Ce reprezintă? La urma urmei, nu se poate ca planeta să privească Soarele, să vadă cât de departe este îndepărtat, să calculeze pătratul invers al distanței în conformitate cu această lege?
Direcția gravitației
Sunt două corpuri, să spunem corpul A și B. Corpul A atrage corpul B. Forța cu care acționează corpul A începe asupra corpului B și este îndreptată către corpul A. Adică „ia” corpul B și îl trage spre sine. . Corpul B „face” același lucru cu corpul A.
Fiecare corp este atras de Pământ. Pământul „ia” corpul și îl trage spre centrul său. Prin urmare, această forță va fi întotdeauna îndreptată vertical în jos și se aplică din centrul de greutate al corpului, se numește gravitație.
Principalul lucru de reținut
Câteva metode de explorare geologică, de predicție a mareelor și, mai recent, de calcul al mișcării sateliților artificiali și a stațiilor interplanetare. Calculul timpuriu al poziției planetelor.
Putem realiza singuri un astfel de experiment și să nu ghicim dacă planetele, obiectele sunt atrase?
O astfel de experiență directă făcută Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) - fizician și chimist englez) folosind dispozitivul prezentat în figură. Ideea a fost să atârnăm o tijă cu două bile de un fir de cuarț foarte subțire și apoi să aduci două bile mari de plumb în lateral. Atracția bilelor va răsuci firul ușor - ușor, deoarece forțele de atracție dintre obiectele obișnuite sunt foarte slabe. Cu ajutorul unui astfel de instrument, Cavendish a reușit să măsoare direct forța, distanța și mărimea ambelor mase și, astfel, să determine constanta gravitațională G.
Descoperirea unică a constantei gravitaționale G, care caracterizează câmpul gravitațional din spațiu, a făcut posibilă determinarea masei Pământului, a Soarelui și a altor corpuri cerești. Prin urmare, Cavendish a numit experiența sa „cântărirea Pământului”.
Interesant este că diversele legi ale fizicii au câteva trăsături comune. Să ne întoarcem la legile electricității (forța Coulomb). Forțele electrice sunt, de asemenea, invers proporționale cu pătratul distanței, dar deja între sarcini, și apare involuntar gândul că acest tipar are o semnificație profundă. Până acum, nimeni nu a fost capabil să prezinte gravitația și electricitatea ca două manifestări diferite ale aceleiași esențe.
Forța aici variază, de asemenea, invers cu pătratul distanței, dar diferența de mărime a forțelor electrice și a forțelor gravitaționale este izbitoare. În încercarea de a stabili natura comună a gravitației și a electricității, găsim o asemenea superioritate a forțelor electrice față de forțele gravitaționale, încât este greu de crezut că ambele au aceeași sursă. Cum poți spune că unul este mai puternic decât celălalt? La urma urmei, totul depinde de care este masa și care este sarcina. Certându-te despre cât de puternică acționează gravitația, nu ai dreptul să spui: „Să luăm o masă de așa și așa dimensiune”, pentru că o alegi singur. Dar dacă luăm ceea ce ne oferă Natura însăși (propriile ei numere și măsuri, care nu au nimic de-a face cu centimetrii, anii, măsurile noastre), atunci putem compara. Vom lua o particulă încărcată elementară, cum ar fi, de exemplu, un electron. Două particule elementare, doi electroni, datorită sarcinii electrice, se resping reciproc cu o forță invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele, iar datorită gravitației sunt atrase una de cealaltă cu o forță invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. distanţă.
Întrebare: Care este raportul dintre forța gravitațională și forța electrică? Gravitația este legată de repulsia electrică, așa cum unul este un număr cu 42 de zerouri. Acest lucru este profund derutant. De unde ar putea veni un număr atât de mare?
Oamenii caută acest factor uriaș în alte fenomene naturale. Trec prin tot felul de numere mari, iar dacă vrei un număr mare, de ce să nu iei, să zicem, raportul dintre diametrul universului și diametrul unui proton - în mod surprinzător, acesta este și un număr cu 42 de zerouri. Și ei spun: poate acest coeficient este egal cu raportul dintre diametrul protonului și diametrul universului? Acesta este un gând interesant, dar pe măsură ce universul se extinde treptat, constanta gravitației trebuie să se schimbe și ea. Deși această ipoteză nu a fost încă infirmată, nu avem nicio dovadă în favoarea ei. Dimpotrivă, unele dovezi sugerează că constanta gravitației nu s-a schimbat în acest fel. Acest număr uriaș rămâne un mister până astăzi.
Einstein a trebuit să modifice legile gravitației în conformitate cu principiile relativității. Primul dintre aceste principii spune că distanța x nu poate fi depășită instantaneu, în timp ce, conform teoriei lui Newton, forțele acționează instantaneu. Einstein a trebuit să schimbe legile lui Newton. Aceste modificări, rafinamente sunt foarte mici. Una dintre ele este aceasta: deoarece lumina are energie, energia este echivalentă cu masa și toate masele se atrag, lumina atrage și ea și, prin urmare, trecând pe lângă Soare, trebuie să fie deviată. Așa se întâmplă de fapt. Forța gravitației este, de asemenea, ușor modificată în teoria lui Einstein. Dar această schimbare foarte ușoară a legii gravitației este suficientă pentru a explica unele dintre neregulile aparente în mișcarea lui Mercur.
Fenomenele fizice din microcosmos sunt supuse altor legi decât fenomenele din lumea la scară largă. Apare întrebarea: cum se manifestă gravitația într-o lume de scară mică? Teoria cuantică a gravitației îi va răspunde. Dar nu există încă o teorie cuantică a gravitației. Oamenii nu au avut încă prea mult succes în a crea o teorie a gravitației care este pe deplin în concordanță cu principiile mecanicii cuantice și cu principiul incertitudinii.
Aristotel a susținut că obiectele masive cad pe pământ mai repede decât cele ușoare.
Galileo la începutul secolului al XVII-lea a arătat că toate obiectele cad „în același mod”. Și cam în același timp, Kepler s-a întrebat ce face planetele să se miște pe orbitele lor. Poate e magnetism? Isaac Newton, lucrând la „”, a redus toate aceste mișcări la acțiunea unei singure forțe numite gravitație, care se supune unor legi universale simple.
Galileo a arătat experimental că calea parcursă de un corp care cade sub influența gravitației este proporțională cu pătratul timpului de cădere: o minge care cade timp de două secunde va călători de patru ori mai mult decât același obiect timp de o secundă. Galileo a mai arătat că viteza este direct proporțională cu timpul căderii și din aceasta a dedus că ghiulele zboară de-a lungul unei traiectorii parabolice - unul dintre tipurile de secțiuni conice, precum elipsele de-a lungul cărora, potrivit lui Kepler, se mișcă planetele. . Dar de unde această legătură?
Când Universitatea din Cambridge s-a închis în timpul Marii Ciume, la mijlocul anilor 1660, Newton s-a întors la casa familiei și și-a formulat acolo legea gravitației, deși a ținut-o secretă încă 20 de ani. (Povestea mărului căzut nu a fost auzită până când octogenarul Newton a spus povestea după o cină mare.)
El a sugerat că toate obiectele din univers generează o forță gravitațională care atrage alte obiecte (la fel cum un măr este atras de Pământ), iar această forță gravitațională determină traiectoriile de-a lungul cărora stelele, planetele și alte corpuri cerești se mișcă în spațiu.
În zilele sale târzii, Isaac Newton a povestit cum s-a întâmplat: se plimba prin livada de meri de pe moșia părinților săi și a văzut deodată luna pe cerul zilei. Și chiar în fața ochilor lui, un măr s-a desprins din ramură și a căzut la pământ. Din moment ce Newton lucra la legile mișcării în același timp, știa deja că mărul cădea sub influența câmpului gravitațional al Pământului. De asemenea, știa că Luna nu doar atârnă pe cer, ci se rotește pe o orbită în jurul Pământului și, prin urmare, un fel de forță acționează asupra ei, care o împiedică să iasă din orbită și să zboare în linie dreaptă. , în spațiu deschis. Apoi i-a trecut prin minte că poate aceeași forță face ca atât mărul să cadă pe pământ, cât și luna să rămână pe orbită în jurul pământului.
Legea inversului pătratului
Newton a reușit să calculeze magnitudinea accelerației Lunii sub influența gravitației Pământului și a constatat că aceasta este de mii de ori mai mică decât accelerația obiectelor (același măr) din apropierea Pământului. Cum poate fi acest lucru dacă se mișcă sub influența aceleiași forțe?
Explicația lui Newton a fost că gravitația slăbește odată cu distanța. Un obiect de pe suprafața Pământului este de 60 de ori mai aproape de centrul planetei decât Luna. Atractia pe orbita lunii este 1/3600, sau 1/602, din ceea ce actioneaza asupra marului. Astfel, forța de atracție dintre două obiecte - fie că este Pământul și un măr, Pământul și Luna, fie Soarele și o cometă - este invers proporțională cu pătratul distanței care le separă. Dublați distanța și forța se reduce cu un factor de patru, triplă - forța devine de nouă ori mai mică și așa mai departe Forța depinde și de masele obiectelor - cu cât masa este mai mare, cu atât gravitația este mai puternică.
Legea gravitației universale poate fi scrisă sub formă de formulă:
F = G(Mm/r2).
Unde: Forța gravitațională este egală cu produsul masei mai mari M si greutate mai mica mîmpărțit la pătratul distanței dintre ele r2și înmulțit cu constanta gravitațională, notată cu majusculă G(minuscule g denotă accelerația cauzată de gravitație).
Această constantă determină atracția dintre oricare două mase oriunde în univers. În 1789, a fost folosit pentru a calcula masa Pământului (6 1024 kg). Legile lui Newton sunt minunate pentru a prezice forțele și mișcările într-un sistem de două obiecte. Dar când se adaugă o treime, totul devine mult mai complicat și duce (după 300 de ani) la matematica haosului.
« Fizica - clasa a 10-a "
De ce se mișcă luna în jurul pământului?
Ce se întâmplă dacă luna se oprește?
De ce se învârt planetele în jurul soarelui?
În capitolul 1, s-a discutat în detaliu faptul că globul oferă aceeași accelerație tuturor corpurilor din apropierea suprafeței Pământului - accelerația căderii libere. Dar dacă globul oferă accelerație corpului, atunci, conform celei de-a doua legi a lui Newton, acesta acționează asupra corpului cu o oarecare forță. Se numește forța cu care acționează pământul asupra corpului gravitatie. Mai întâi, să găsim această forță și apoi să luăm în considerare forța gravitației universale.
Accelerația modulului este determinată din a doua lege a lui Newton:
În cazul general, depinde de forța care acționează asupra corpului și de masa acestuia. Deoarece accelerația căderii libere nu depinde de masă, este clar că forța gravitațională trebuie să fie proporțională cu masa:
Mărimea fizică este accelerația de cădere liberă, este constantă pentru toate corpurile.
Pe baza formulei F = mg, puteți specifica o metodă simplă și practic convenabilă pentru măsurarea maselor corpurilor prin compararea masei unui anumit corp cu unitatea standard de masă. Raportul dintre masele a două corpuri este egal cu raportul forțelor gravitaționale care acționează asupra corpurilor:
Aceasta înseamnă că masele corpurilor sunt aceleași dacă forțele gravitaționale care acționează asupra lor sunt aceleași.
Aceasta este baza pentru determinarea maselor prin cântărire pe o cântar cu arc sau balanță. Asigurându-se că forța de presiune a corpului pe cântar, egală cu forța gravitațională aplicată corpului, este echilibrată de forța de presiune a greutăților pe celelalte cântare, egală cu forța gravitațională aplicată greutăților , determinăm astfel masa corpului.
Forța gravitației care acționează asupra unui corp dat din apropierea Pământului poate fi considerată constantă doar la o anumită latitudine, în apropierea suprafeței Pământului. Dacă corpul este ridicat sau mutat într-un loc cu o latitudine diferită, atunci accelerația căderii libere și, prin urmare, forța gravitației se va schimba.
Forța gravitației.
Newton a fost primul care a demonstrat riguros că motivul care provoacă căderea unei pietre pe Pământ, mișcarea Lunii în jurul Pământului și a planetelor în jurul Soarelui, este același. aceasta forta gravitationala acţionând între orice corp al Universului.
Newton a ajuns la concluzia că, dacă nu ar fi rezistența aerului, atunci traiectoria unei pietre aruncate de pe un munte înalt (Fig. 3.1) cu o anumită viteză ar putea deveni de așa natură încât nu ar ajunge niciodată la suprafața Pământului, ci ar mișcă-te în jurul ei așa cum își descriu planetele orbitele pe cer.
Newton a găsit acest motiv și a reușit să-l exprime cu precizie sub forma unei formule - legea gravitației universale.
Deoarece forța gravitației universale conferă aceeași accelerație tuturor corpurilor, indiferent de masa lor, ea trebuie să fie proporțională cu masa corpului asupra căruia acționează:
„Graviația există pentru toate corpurile în general și este proporțională cu masa fiecăruia dintre ele... toate planetele gravitează una spre cealaltă...” I. Newton
Dar întrucât, de exemplu, Pământul acționează asupra Lunii cu o forță proporțională cu masa Lunii, atunci Luna, conform celei de-a treia legi a lui Newton, trebuie să acționeze asupra Pământului cu aceeași forță. Mai mult, această forță trebuie să fie proporțională cu masa Pământului. Dacă forța gravitațională este cu adevărat universală, atunci din partea unui corp dat orice alt corp trebuie să fie acționat de o forță proporțională cu masa acestui alt corp. În consecință, forța gravitației universale trebuie să fie proporțională cu produsul maselor corpurilor care interacționează. De aici rezultă formularea legii gravitației universale.
Legea gravitației:
Forța de atracție reciprocă a două corpuri este direct proporțională cu produsul maselor acestor corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele:
Se numește factorul de proporționalitate G constantă gravitațională.
Constanta gravitațională este numeric egală cu forța de atracție dintre două puncte materiale cu o masă de 1 kg fiecare, dacă distanța dintre ele este de 1 m. La urma urmei, cu mase m 1 \u003d m 2 \u003d 1 kg și o distanță r \u003d 1 m, obținem G \u003d F (numeric).
Trebuie reținut că legea gravitației universale (3.4) ca lege universală este valabilă pentru punctele materiale. În acest caz, forțele de interacțiune gravitațională sunt direcționate de-a lungul liniei care leagă aceste puncte (Fig. 3.2, a).
Se poate arăta că corpurile omogene având formă de minge (chiar dacă nu pot fi considerate puncte materiale, Fig. 3.2, b) interacționează și cu forța definită prin formula (3.4). În acest caz, r este distanța dintre centrele bilelor. Forțele de atracție reciprocă se află pe o linie dreaptă care trece prin centrele bilelor. Se numesc astfel de forțe central. Corpurile a căror cădere pe Pământ o considerăm de obicei mult mai mică decât raza Pământului (R ≈ 6400 km).
Astfel de corpuri, indiferent de forma lor, pot fi considerate puncte materiale, iar forța de atracție a acestora către Pământ poate fi determinată folosind legea (3.4), ținând cont că r este distanța de la corpul dat până la centrul Pământ.
O piatră aruncată pe Pământ se va abate sub acțiunea gravitației de la o cale dreaptă și, după ce a descris o traiectorie curbă, va cădea în cele din urmă pe Pământ. Dacă îl arunci cu mai multă viteză, va cădea și mai mult.” I. Newton
Definiția constantei gravitaționale.
Acum haideți să aflăm cum puteți găsi constanta gravitațională. În primul rând, rețineți că G are un nume specific. Acest lucru se datorează faptului că unitățile (și, în consecință, numele) tuturor cantităților incluse în legea gravitației universale au fost deja stabilite mai devreme. Legea gravitației oferă o nouă legătură între cantitățile cunoscute cu anumite nume de unități. De aceea coeficientul se dovedește a fi o valoare numită. Folosind formula legii gravitației universale, este ușor de găsit numele unității constantei gravitaționale în SI: N m 2 / kg 2 \u003d m 3 / (kg s 2).
Pentru a cuantifica G, este necesar să se determine independent toate mărimile incluse în legea gravitației universale: ambele mase, forța și distanța dintre corpuri.
Dificultatea constă în faptul că forțele gravitaționale dintre corpuri de mase mici sunt extrem de mici. Din acest motiv, nu observăm atracția corpului nostru față de obiectele din jur și atracția reciprocă a obiectelor unul față de celălalt, deși forțele gravitaționale sunt cele mai universale dintre toate forțele din natură. Doi oameni care cântăresc 60 kg la o distanță de 1 m unul de celălalt sunt atrași cu o forță de numai aproximativ 10 -9 N. Prin urmare, pentru a măsura constanta gravitațională, sunt necesare experimente destul de subtile.
Constanta gravitațională a fost măsurată pentru prima dată de fizicianul englez G. Cavendish în 1798 folosind un dispozitiv numit balanță de torsiune. Schema balanței de torsiune este prezentată în Figura 3.3. Un rocker ușor cu două greutăți identice la capete este suspendat pe un fir elastic subțire. Două bile grele sunt fixate nemișcate în apropiere. Forțele gravitaționale acționează între greutăți și bile nemișcate. Sub influența acestor forțe, balansoarul rotește și răsucește firul până când forța elastică rezultată devine egală cu forța gravitațională. Unghiul de răsucire poate fi folosit pentru a determina forța de atracție. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să cunoașteți proprietățile elastice ale firului. Masele corpurilor sunt cunoscute, iar distanța dintre centrele corpurilor care interacționează poate fi măsurată direct.
Din aceste experimente s-a obținut următoarea valoare pentru constanta gravitațională:
G \u003d 6,67 10 -11 N m 2 / kg 2.
Numai în cazul în care interacționează corpuri de mase enorme (sau cel puțin masa unuia dintre corpuri este foarte mare), forța gravitațională atinge o valoare mare. De exemplu, Pământul și Luna sunt atrase unul de celălalt cu o forță F ≈ 2 10 20 N.
Dependența accelerației în cădere liberă a corpurilor de latitudinea geografică.
Unul dintre motivele creșterii accelerației gravitației la deplasarea punctului în care se află corpul de la ecuator la poli este că globul este oarecum turtit la poli și distanța de la centrul Pământului la suprafața sa la polii este mai mic decât la ecuator. Un alt motiv este rotația Pământului.
Egalitatea maselor inerțiale și gravitaționale.
Cea mai frapantă proprietate a forțelor gravitaționale este că ele oferă aceeași accelerație tuturor corpurilor, indiferent de masele lor. Ce ai spune despre un fotbalist a cărui lovitură ar accelera în egală măsură o minge obișnuită de piele și o greutate de două kilograme? Toată lumea va spune că este imposibil. Dar Pământul este un astfel de „fotbalist extraordinar”, cu singura diferență că efectul său asupra corpului nu are caracterul unui impact pe termen scurt, ci continuă în mod continuu de miliarde de ani.
În teoria lui Newton, masa este sursa câmpului gravitațional. Ne aflăm în câmpul gravitațional al Pământului. În același timp, suntem și surse ale câmpului gravitațional, dar datorită faptului că masa noastră este semnificativ mai mică decât masa Pământului, câmpul nostru este mult mai slab și obiectele din jur nu reacționează la el.
Proprietatea neobișnuită a forțelor gravitaționale, așa cum am spus deja, se explică prin faptul că aceste forțe sunt proporționale cu masele ambelor corpuri care interacționează. Masa corpului, care este inclusă în a doua lege a lui Newton, determină proprietățile inerțiale ale corpului, adică capacitatea sa de a dobândi o anumită accelerație sub acțiunea unei forțe date. aceasta masa inerțială m și.
S-ar părea, ce legătură poate avea cu capacitatea corpurilor de a se atrage unul pe altul? Masa care determină capacitatea corpurilor de a se atrage între ele este masa gravitațională m r .
Din mecanica newtoniană nu rezultă deloc că masele inerțiale și gravitaționale sunt aceleași, adică
m și = m r . (3,5)
Egalitatea (3.5) este o consecință directă a experienței. Înseamnă că se poate vorbi pur și simplu despre masa unui corp ca o măsură cantitativă a proprietăților sale inerțiale și gravitaționale.
Nu numai cele mai misterioase forțele naturii dar și cel mai puternic.
Omul pe cale de progres
Din punct de vedere istoric, așa a fost uman pe măsură ce înaintezi căi de progres a stăpânit forțele din ce în ce mai puternice ale naturii. A început când nu avea decât un băț în pumn și propria sa forță fizică.
Dar el a fost înțelept și a adus puterea fizică a animalelor în slujba lui, făcându-le domestice. Calul și-a accelerat alergarea, cămila a făcut deșertul accesibil, elefantul jungla mlăștinoasă. Dar forțele fizice chiar și ale celor mai puternice animale sunt nemăsurat de mici în comparație cu forțele naturii.
Prima persoană a subjugat elementul foc, dar numai în versiunile sale cele mai slăbite. Inițial - timp de multe secole - a folosit doar lemnul drept combustibil - un tip de combustibil cu foarte puțină energie. Ceva mai târziu, a învățat să folosească energia eoliană din această sursă de energie, un bărbat a ridicat aripa albă a pânzei în aer - și o navă ușoară a zburat ca o pasăre peste valuri.
Barcă cu pânze pe valuri
El a expus lamele morii de vânt rafale de vânt – iar pietrele grele ale pietrelor de moară se învârteau, pistilele crupelor zdrăngăneau. Dar este clar pentru toată lumea că energia jeturilor de aer este departe de a fi concentrată. În plus, atât vela, cât și moara de vânt se temeau de loviturile vântului: furtuna a sfâșiat pânzele și a scufundat corăbiile, furtuna a rupt aripile și a răsturnat morile.
Chiar mai târziu, omul a început să cucerească apa curgătoare. Roata nu este doar cea mai primitivă dintre dispozitive capabile să transforme energia apei în mișcare de rotație, ci și cea mai slabă putere în comparație cu diversele.
Omul mergea înainte pe scara progresului și avea nevoie din ce în ce mai multă energie.
A început să folosească noi tipuri de combustibil - deja trecerea la arderea cărbunelui a crescut intensitatea energetică a unui kilogram de combustibil de la 2500 kcal la 7000 kcal - de aproape trei ori. Apoi a venit vremea petrolului și gazelor. Din nou, conținutul energetic al fiecărui kilogram de combustibili fosili a crescut de o dată și jumătate până la două ori.
Motoarele cu abur au fost înlocuite cu turbine cu abur; roțile morii au fost înlocuite cu turbine hidraulice. Apoi omul și-a întins mâna spre atomul de uraniu fisionabil. Cu toate acestea, prima utilizare a unui nou tip de energie a avut consecințe tragice - flacăra nucleară de la Hiroshima din 1945 a incinerat 70 de mii de inimi umane în câteva minute.
În 1954, prima centrală nucleară sovietică din lume a intrat în funcțiune, transformând puterea uraniului în puterea radiantă a curentului electric. Și trebuie menționat că un kilogram de uraniu conține de două milioane de ori mai multă energie decât un kilogram din cel mai bun ulei.
A fost un foc fundamental nou, care ar putea fi numit fizic, deoarece fizicienii au studiat procesele care au condus la nașterea unor cantități atât de fabuloase de energie.
Uraniul nu este singurul combustibil nuclear. Se folosește deja un tip de combustibil mai puternic - izotopi de hidrogen.
Din păcate, omul nu a reușit încă să stăpânească flacăra nucleară de hidrogen-heliu. Știe cum să-și aprindă momentan focul atot-arzător, dând foc reacției dintr-o bombă cu hidrogen cu fulgerul unei explozii de uraniu. Dar din ce în ce mai aproape, oamenii de știință văd un reactor cu hidrogen, care va genera un curent electric ca urmare a fuziunii nucleelor izotopilor de hidrogen în nuclee de heliu.
Din nou, cantitatea de energie pe care o poate lua o persoană din fiecare kilogram de combustibil va crește de aproape zece ori. Dar va fi acest pas ultimul din istoria viitoare a puterii umane asupra forțelor naturii?
Nu! Înainte - stăpânirea formei gravitaționale a energiei. Este și mai prudent ambalat de natură decât chiar și energia fuziunii hidrogen-heliu. Astăzi este cea mai concentrată formă de energie despre care o persoană poate chiar ghici.
Nimic mai departe nu este încă vizibil acolo, dincolo de vârful științei. Și, deși putem spune cu încredere că centralele electrice vor funcționa pentru o persoană, procesând energia gravitațională în curent electric (sau poate într-un jet de gaz care zboară dintr-o duză de motor cu reacție, sau în transformarea planificată a atomilor omniprezent de siliciu și oxigen. în atomi de metale ultra-rare), încă nu putem spune nimic despre detaliile unei astfel de centrale electrice (motor-rachetă, reactor fizic).
Forța gravitației universale la originile nașterii galaxiilor
Forța gravitației universale se află la originile nașterii galaxiilor din materie prestelară, după cum este convins academicianul V.A. Ambartsumyan. De asemenea, stinge stelele care și-au consumat timpul, după ce au cheltuit combustibilul stelar care le-a fost alocat la naștere.
Da, uită-te în jur: totul de pe Pământ este în mare măsură controlat de această forță.
Ea este cea care determină structura stratificată a planetei noastre - alternanța litosferei, hidrosferei și atmosferei. Ea este cea care păstrează un strat gros de gaze ale aerului, în baza căruia și datorită căruia existăm cu toții.
Dacă nu ar exista gravitația, Pământul și-ar ieși imediat din orbita în jurul Soarelui, iar globul însuși s-ar prăbuși, sfâșiat de forțele centrifuge. Este greu să găsești ceva care să nu fie, într-o măsură sau alta, dependent de forța gravitației universale.
Desigur, filozofii antici, oameni foarte observatori, nu puteau să nu observe că o piatră aruncată în sus se întoarce mereu. Platon în secolul al IV-lea î.Hr. a explicat acest lucru prin faptul că toate substanțele Universului tind acolo unde sunt concentrate majoritatea substanțelor similare: o piatră aruncată cade la pământ sau se duce la fund, apa vărsată se infiltrează în cel mai apropiat iaz sau într-un râu care se îndreaptă spre mare, fumul unui foc se repezi spre norii înrudiți.
Un student al lui Platon, Aristotel, a clarificat că toate corpurile au proprietăți speciale de greutate și ușurință. Corpurile grele - pietre, metale - se repezi spre centrul universului, lumina - foc, fum, vapori - spre periferie. Această ipoteză, care explică unele dintre fenomenele asociate cu forța gravitației universale, există de mai bine de 2 mii de ani.
Oamenii de știință despre forța gravitației
Probabil primul care a pus problema forta gravitatiei cu adevărat științific, a fost geniul Renașterii - Leonardo da Vinci. Leonardo a proclamat că gravitația este caracteristică nu numai Pământului, ci că există multe centre de greutate. Și a mai sugerat că forța gravitațională depinde de distanța până la centrul de greutate.
Lucrările lui Copernic, Galileo, Kepler, Robert Hooke au adus din ce în ce mai aproape de ideea legii gravitației universale, dar în formularea sa finală această lege este asociată pentru totdeauna cu numele lui Isaac Newton.
Isaac Newton despre forța gravitației
Născut la 4 ianuarie 1643. A absolvit Universitatea din Cambridge, a devenit licență, apoi - un master în științe.
Isaac Newton Tot ceea ce urmează este o bogăție nesfârșită de lucrări științifice. Dar lucrarea sa principală este „Principiile matematice ale filosofiei naturale”, publicată în 1687 și numită de obicei simplu „Începuturi”. În ele este formulat marele. Probabil că toată lumea își amintește de el din liceu.
Toate corpurile sunt atrase unele de altele cu o forță direct proporțională cu produsul maselor acestor corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele...
Unele prevederi ale acestei formulări ar putea fi anticipate de predecesorii lui Newton, dar nu a fost încă dată nimănui în întregime. Geniul lui Newton a fost necesar pentru a asambla aceste fragmente într-un singur întreg pentru a răspândi atracția Pământului către Lună și Soare - către întregul sistem planetar.
Din legea gravitației universale, Newton a derivat toate legile mișcării planetelor, descoperite înainte de Kepler. Au fost pur și simplu consecințele ei. Mai mult, Newton a arătat că nu numai legile lui Kepler, ci și abaterile de la aceste legi (în lumea a trei sau mai multe corpuri) sunt rezultatul gravitației universale... Acesta a fost un mare triumf al științei.
Se pare că principala forță a naturii, care mișcă lumile, a fost în cele din urmă descoperită și descrisă matematic, forța la care sunt supuse moleculele de aer, merele și Soarele. Uriaș, nemăsurat de uriaș a fost pasul făcut de Newton.
Primul popularizator al operei unui om de știință strălucit, scriitorul francez Francois Marie Arouet, celebru în întreaga lume sub pseudonimul Voltaire, a spus că Newton a ghicit dintr-o dată existența unei legi care îi poartă numele atunci când a privit un măr care cădea.
Newton însuși nu a menționat niciodată acest măr. Și nu merită să pierdem timpul astăzi cu infirmarea acestei frumoase legende. Și, se pare, Newton a ajuns să înțeleagă marea putere a naturii prin raționament logic. Este probabil să fi fost inclus în capitolul corespunzător al „Începuturilor”.
Forța gravitației afectează zborul nucleului
Să presupunem că pe un munte foarte înalt, atât de înalt încât vârful său este deja în afara atmosferei, am amenajat o piesă gigantică de artilerie. Butoiul său a fost așezat strict paralel cu suprafața globului și s-a tras. Descrierea arcului miezul cade la pământ.
Creștem încărcarea, îmbunătățim calitatea prafului de pușcă, într-un fel sau altul facem miezul să se miște cu o viteză mai mare după următoarea lovitură. Arcul descris de miez devine mai plat. Miezul cade mult mai departe de poalele muntelui nostru.
De asemenea, creștem încărcarea și tragem. Nucleul zboară pe o traiectorie atât de blândă încât coboară paralel cu suprafața globului. Miezul nu mai poate cădea pe Pământ: cu aceeași viteză cu care cade, Pământul scapă de sub el. Și, după ce a descris inelul din jurul planetei noastre, nucleul se întoarce la punctul de plecare.
Pistolul poate fi scos între timp. La urma urmei, zborul nucleului în jurul globului va dura mai mult de o oră. Și apoi nucleul va trece rapid peste vârful muntelui și va merge într-un nou cerc în jurul Pământului. Căderea, dacă, așa cum am convenit, miezul nu experimentează nicio rezistență a aerului, nu va putea niciodată.
Viteza centrală pentru aceasta ar trebui să fie aproape de 8 km/sec. Și dacă creșteți viteza de zbor a miezului? Mai întâi va zbura într-un arc, mai blând decât curbura suprafeței pământului și va începe să se îndepărteze de Pământ. În același timp, viteza sa sub influența gravitației Pământului va scădea.
Și, în cele din urmă, întorcându-se, va începe, parcă, să cadă înapoi pe Pământ, dar va zbura pe lângă el și nu va mai completa un cerc, ci o elipsă. Miezul se va mișca în jurul Pământului exact în același mod în care Pământul se mișcă în jurul Soarelui, și anume, de-a lungul unei elipse, într-unul dintre focarele căruia va fi situat centrul planetei noastre.
Dacă creștem și mai mult viteza inițială a nucleului, elipsa se va dovedi a fi mai întinsă. Este posibil să întindeți această elipsă în așa fel încât nucleul să ajungă pe orbita lunii sau chiar mult mai departe. Dar până când viteza inițială a acestui nucleu va depăși 11,2 km/s, va rămâne un satelit al Pământului.
Nucleul, care a primit o viteză de peste 11,2 km/s la foc, va zbura pentru totdeauna departe de Pământ de-a lungul unei traiectorii parabolice. Dacă o elipsă este o curbă închisă, atunci o parabolă este o curbă care are două ramuri care merg la infinit. Deplasându-ne de-a lungul unei elipse, oricât de alungită ar fi aceasta, ne vom întoarce inevitabil sistematic la punctul de plecare. Deplasându-ne de-a lungul unei parabole, nu ne vom întoarce niciodată la punctul de plecare.
Dar, după ce a părăsit Pământul cu această viteză, nucleul nu va putea încă să zboare la infinit. Gravitația puternică a Soarelui va îndoi traiectoria zborului său, aproape în jurul său ca traiectoria unei planete. Miezul va deveni sora Pământului, o planetă minusculă din propria noastră familie de planete.
Pentru a direcționa nucleul în afara sistemului planetar, pentru a depăși atracția solară, este necesar să îi spunem o viteză mai mare de 16,7 km/s și să-l direcționați astfel încât la această viteză să se adauge viteza propriei mișcări a Pământului. .
O viteză de aproximativ 8 km/s (aceasta viteză depinde de înălțimea muntelui din care trage pistolul nostru) se numește viteză circulară, vitezele de la 8 la 11,2 km/s sunt eliptice, de la 11,2 la 16,7 km/s sunt parabolice, iar peste acest număr – viteze eliberatoare.
Aici trebuie adăugat că valorile date ale acestor viteze sunt valabile numai pentru Pământ. Dacă am trăi pe Marte, viteza circulară ne-ar fi mult mai ușor de realizat - acolo este doar aproximativ 3,6 km/s, iar viteza parabolică este doar puțin mai mare de 5 km/s.
Pe de altă parte, ar fi mult mai dificil să trimiți nucleul într-un zbor spațial de la Jupiter decât de pe Pământ: viteza circulară pe această planetă este de 42,2 km/s, iar viteza parabolică este chiar de 61,8 km/s!
Cel mai greu ar fi pentru locuitorii Soarelui să-și părăsească lumea (dacă, desigur, așa ar putea exista). Viteza circulară a acestui gigant ar trebui să fie de 437,6, iar viteza de separare - 618,8 km/s!
Așadar, Newton la sfârșitul secolului al XVII-lea, cu o sută de ani înainte ca primul zbor al balonului fraților Montgolfier să se umple cu aer cald, cu două sute de ani înainte de primele zboruri ale avionului fraților Wright și cu aproape un sfert de mileniu înainte. decolarea primelor rachete lichide, a indicat calea către cer pentru sateliți și nave spațiale.
Forța gravitației este inerentă în fiecare sferă
Prin utilizarea Legea gravitației au fost descoperite planete necunoscute, au fost create ipoteze cosmogonice despre originea sistemului solar. Forța principală a naturii, care controlează stelele, planetele, merele din grădină și moleculele de gaz din atmosferă, a fost descoperită și descrisă matematic.
Dar nu cunoaștem mecanismul gravitației universale. Gravitația newtoniană nu explică, ci reprezintă vizual starea actuală a mișcării planetare.
Nu știm ce cauzează interacțiunea tuturor corpurilor Universului. Și nu se poate spune că Newton nu a fost interesat de acest motiv. Mulți ani s-a gândit la posibilul său mecanism.
Apropo, aceasta este într-adevăr o putere extrem de misterioasă. O forță care se manifestă prin sute de milioane de kilometri de spațiu, lipsită de orice formațiuni materiale la prima vedere, cu ajutorul căreia s-ar putea explica transferul de interacțiune.
Ipotezele lui Newton
Și Newton recurs la ipoteză despre existența unui anumit eter care se presupune că umple întregul Univers. În 1675, el a explicat atracția pentru Pământ prin faptul că eterul care umple întregul Univers se grăbește spre centrul Pământului în fluxuri continue, captând toate obiectele din această mișcare și creând o forță gravitațională. Același flux de eter se îndreaptă spre Soare și, târând planetele, cometele, le asigură traiectoriile eliptice...
Nu a fost o ipoteză foarte convingătoare, deși absolut logică din punct de vedere matematic. Dar acum, în 1679, Newton a creat o nouă ipoteză care explică mecanismul gravitației. De data aceasta el înzestrează eterul cu proprietatea de a avea o concentrație diferită în apropierea planetelor și departe de acestea. Cu cât este mai departe de centrul planetei, cu atât eterul se presupune că este mai dens. Și are proprietatea de a stoarce toate corpurile materiale din straturile lor mai dense în altele mai puțin dense. Și toate corpurile sunt strânse la suprafața Pământului.
În 1706, Newton neagă brusc însăși existența eterului. În 1717 revine din nou la ipoteza stoarcerii eterului.
Ingeniosul creier al lui Newton s-a luptat pentru rezolvarea marelui mister și nu l-a găsit. Aceasta explică aruncarea atât de ascuțită dintr-o parte în alta. Newton obișnuia să spună:
Nu fac ipoteze.
Și deși, așa cum am putut doar să verificăm, acest lucru nu este în întregime adevărat, putem afirma cu siguranță altceva: Newton a fost capabil să distingă clar între lucrurile incontestabile de ipotezele instabile și controversate. Și în Elemente există o formulă a marii legi, dar nu există nicio încercare de a explica mecanismul acesteia.
Marele fizician a lăsat moștenire această ghicitoare omului viitorului. A murit în 1727.
Nu s-a rezolvat nici azi.
Discuția despre esența fizică a legii lui Newton a durat două secole. Și poate că această discuție nu ar viza însăși esența legii, dacă ar răspunde exact la toate întrebările care i-au fost puse.
Dar adevărul este că de-a lungul timpului s-a dovedit că această lege nu este universală. Că sunt cazuri când nu poate explica acest sau altul fenomen. Să dăm exemple.
Forța gravitației în calculele lui Seeliger
Primul dintre acestea este paradoxul lui Seeliger. Considerând că Universul este infinit și umplut uniform cu materie, Seeliger a încercat să calculeze, conform legii lui Newton, forța gravitațională universală creată de întreaga masă infinit de mare a Universului infinit la un moment dat în ea.
Nu a fost o sarcină ușoară din punctul de vedere al matematicii pure. Depășind toate dificultățile celor mai complexe transformări, Seeliger a descoperit că forța de gravitație universală dorită este proporțională cu raza Universului. Și deoarece această rază este egală cu infinitul, atunci forța gravitațională trebuie să fie infinit de mare. Cu toate acestea, nu vedem acest lucru în practică. Aceasta înseamnă că legea gravitației universale nu se aplică întregului univers.
Cu toate acestea, sunt posibile și alte explicații pentru paradox. De exemplu, putem presupune că materia nu umple uniform întregul Univers, dar densitatea ei scade treptat și, în cele din urmă, undeva foarte departe nu există deloc materie. Dar a-ți imagina o astfel de imagine înseamnă a admite posibilitatea existenței spațiului fără materie, ceea ce este în general absurd.
Putem presupune că forța gravitației slăbește mai repede decât crește pătratul distanței. Dar acest lucru pune la îndoială armonia surprinzătoare a legii lui Newton. Nu, iar această explicație nu a satisfăcut oamenii de știință. Paradoxul a rămas un paradox.
Observații ale mișcării lui Mercur
Un alt fapt, acțiunea forței de gravitație universală, neexplicată prin legea lui Newton, a adus observarea mișcării lui Mercur- cel mai apropiat de planetă. Calcule precise conform legii lui Newton au arătat că pereheliul - punctul elipsei de-a lungul căruia Mercur se mișcă cel mai aproape de Soare - ar trebui să se miște cu 531 de secunde de arc în 100 de ani.
Iar astronomii au descoperit că această schimbare este egală cu 573 de secunde de arc. Acest exces - 42 de secunde de arc - nu a putut fi explicat nici de oamenii de știință, folosind doar formule care decurg din legea lui Newton.
El a explicat atât paradoxul lui Seeliger, cât și deplasarea perheliei lui Mercur, precum și multe alte fenomene paradoxale și fapte inexplicabile. Albert Einstein, unul dintre cei mai mari, dacă nu cel mai mare fizician din toate timpurile. Printre micile lucruri enervante a fost întrebarea vânt eteric.
Experimente de Albert Michelson
Se părea că această întrebare nu privea direct problema gravitației. S-a legat de optică, de lumină. Mai exact, la definirea vitezei sale.
Astronomul danez a fost primul care a determinat viteza luminii. Olaf Remer urmărind eclipsa lunilor lui Jupiter. Acest lucru s-a întâmplat încă din 1675.
fizician american Albert Michelson la sfârșitul secolului al XVIII-lea, a efectuat o serie de determinări ale vitezei luminii în condiții terestre, folosind aparatele pe care le proiectase.
În 1927, el a dat viteza luminii ca 299796 + 4 km/s, ceea ce era o precizie excelentă pentru acele vremuri. Dar esența problemei este diferită. În 1880 a decis să investigheze vântul eteric. El a vrut să stabilească în sfârșit existența acelui eter, prin prezența căruia au încercat să explice atât transmiterea interacțiunii gravitaționale, cât și transmiterea undelor luminoase.
Michelson a fost probabil cel mai remarcabil experimentator al timpului său. Avea echipament excelent. Și era aproape sigur de succes.
Esența experienței
O experienta a fost conceput astfel. Pământul se mișcă pe orbita sa cu o viteză de aproximativ 30 km/sec.. Se mișcă prin aer. Aceasta înseamnă că viteza luminii de la o sursă care se află în fața receptorului în raport cu mișcarea Pământului trebuie să fie mai mare decât de la o sursă care se află de cealaltă parte. În primul caz, viteza vântului eteric trebuie adăugată la viteza luminii; în al doilea caz, viteza luminii trebuie să scadă cu această valoare.
Desigur, viteza Pământului pe orbita sa în jurul Soarelui este doar o zece miimi din viteza luminii. Găsirea unui termen atât de mic este foarte dificilă, dar Michelson a fost numit regele preciziei pentru un motiv. A folosit o modalitate ingenioasă de a surprinde diferența „evazivă” a vitezei razelor de lumină.
El a împărțit fasciculul în două fluxuri egale și le-a direcționat în direcții reciproc perpendiculare: de-a lungul meridianului și de-a lungul paralelei. Reflectate de oglinzi, razele au revenit. Dacă fasciculul care mergea de-a lungul paralelei a experimentat influența vântului eteric, atunci când a fost adăugat fasciculului meridional ar fi trebuit să apară franjuri de interferență, undele celor două fascicule ar fi fost deplasate în fază.
Cu toate acestea, lui Michelson i-a fost dificil să măsoare traseele ambelor raze cu o precizie atât de mare încât să fie exact aceleași. Prin urmare, a construit aparatul astfel încât să nu existe franjuri de interferență și apoi l-a întors la 90 de grade.
Fasciculul meridional a devenit latitudinal și invers. Dacă există un vânt eteric, sub ocular ar trebui să apară dungi negre și ușoare! Dar nu au fost. Poate că, când a întors dispozitivul, omul de știință l-a mutat.
L-a pus la prânz și l-a reparat. La urma urmei, pe lângă faptul că, se rotește și în jurul unei axe. Și, prin urmare, în diferite momente ale zilei, fasciculul latitudinal ocupă o poziție diferită față de vântul eteric care se apropie. Acum, când aparatul este strict nemișcat, se poate fi convins de acuratețea experimentului.
Nu au existat din nou franjuri de interferență. Experimentul a fost efectuat de multe ori, iar Michelson, împreună cu el toți fizicienii de atunci, au rămas uimiți. Vântul eteric nu a fost detectat! Lumina a călătorit în toate direcțiile cu aceeași viteză!
Nimeni nu a putut explica asta. Michelson a repetat experimentul din nou și din nou, a îmbunătățit echipamentul și, în cele din urmă, a obținut o precizie de măsurare aproape incredibilă, un ordin de mărime mai mare decât era necesar pentru succesul experimentului. Și iarăși nimic!
Experimente ale lui Albert Einstein
Următorul mare pas în cunoaşterea forţei gravitaţiei făcut Albert Einstein.
Albert Einstein a fost întrebat odată:
Cum ai ajuns la teoria ta specială a relativității? În ce circumstanțe ți-a venit o idee genială? Omul de știință a răspuns: „Întotdeauna mi s-a părut că așa este.
Poate că nu a vrut să fie sincer, poate a vrut să scape de interlocutorul enervant. Dar este greu de imaginat că ideea lui Einstein despre conexiunile dintre timp, spațiu și viteză a fost înnăscută.
Nu, desigur, la început a fost o bănuială, strălucitoare ca fulgerul. Apoi a început dezvoltarea. Nu, nu există contradicții cu fenomenele cunoscute. Și apoi au apărut acele cinci pagini pline de formule, care au fost publicate într-un jurnal fizic. Pagini care au deschis o nouă eră în fizică.
Imaginați-vă o navă spațială zburând prin spațiu. Vă vom avertiza imediat: nava este foarte ciudată, despre care nu ați citit în poveștile științifico-fantastice. Lungimea sa este de 300 de mii de kilometri, iar viteza sa este, ei bine, să zicem, de 240 de mii de km/s. Și această navă spațială zboară pe lângă una dintre platformele intermediare din spațiu, fără să se oprească la ea. La viteză maximă.
Unul dintre pasageri stă pe puntea navei cu un ceas. Și tu și cu mine, cititorule, stăm pe o platformă - lungimea sa trebuie să corespundă mărimii unei nave stelare, adică 300 de mii de kilometri, altfel nu se va putea lipi de ea. Și avem și un ceas în mână.
Observăm că în momentul în care prova navei a ajuns din urmă cu marginea din spate a platformei noastre, un felinar a fulgerat pe ea, luminând spațiul din jurul acesteia. O secundă mai târziu, un fascicul de lumină a ajuns la marginea din față a platformei noastre. Nu ne îndoim de acest lucru, pentru că știm viteza luminii și am reușit să identificăm exact momentul corespunzător pe ceas. Și pe o navă...
Dar nava a zburat și spre fasciculul de lumină. Și am văzut cu siguranță că lumina și-a luminat pupa în momentul în care era undeva aproape de mijlocul platformei. Am văzut cu siguranță că fasciculul de lumină nu a acoperit 300 de mii de kilometri de la prova până la pupa navei.
Dar pasagerii de pe puntea navei sunt siguri de altceva. Ei sunt siguri că fasciculul lor a acoperit întreaga distanță de la prova la pupa de 300 de mii de kilometri. La urma urmei, a petrecut o secundă întreagă pentru asta. Și ei l-au înregistrat absolut exact pe ceasurile lor. Și cum ar putea fi altfel: la urma urmei, viteza luminii nu depinde de viteza sursei...
Cum așa? Vedem un lucru de pe o platformă fixă și altul la ei pe puntea unei nave spațiale? Ce s-a întâmplat?
Teoria relativității a lui Einstein
Trebuie remarcat imediat: Teoria relativității a lui Einstein la prima vedere, contrazice absolut ideea noastră stabilită despre structura lumii. Putem spune că contrazice și bunul simț, așa cum suntem obișnuiți să-l prezentăm. Acest lucru s-a întâmplat de multe ori în istoria științei.
Dar descoperirea sfericității Pământului a fost contrară bunului simț. Cum pot oamenii să trăiască de partea opusă și să nu cadă în abis?
Pentru noi, sfericitatea Pământului este un fapt neîndoielnic, iar din punctul de vedere al bunului simț, orice altă presupunere este lipsită de sens și sălbatică. Dar dați-vă înapoi de la vremea voastră, imaginați-vă prima apariție a acestei idei și veți înțelege cât de greu ar fi să o acceptați.
Ei bine, a fost mai ușor să admitem că Pământul nu este nemișcat, ci zboară pe traiectoria sa de zeci de ori mai repede decât o ghiulea de tun?
Toate acestea au fost epave de bun simț. Prin urmare, fizicienii moderni nu se referă niciodată la el.
Acum revenim la teoria specială a relativității. Lumea a recunoscut-o pentru prima dată în 1905 dintr-un articol semnat de un nume puțin cunoscut - Albert Einstein. Și avea doar 26 de ani la acea vreme.
Einstein a făcut o presupunere foarte simplă și logică din acest paradox: din punctul de vedere al unui observator de pe platformă, într-o mașină în mișcare a trecut mai puțin timp decât măsura ceasul de mână. În mașină, trecerea timpului a încetinit față de timpul pe platforma staționară.
Lucruri destul de uimitoare au rezultat logic din această presupunere. S-a dovedit că o persoană care călătorește la serviciu într-un tramvai, în comparație cu un pieton care merge în același mod, nu numai că economisește timp din cauza vitezei, dar merge și mai încet pentru el.
Totuși, nu încerca să păstrezi tinerețea veșnică în acest fel: chiar dacă devii șofer de trăsuri și petreci o treime din viață într-un tramvai, în 30 de ani vei câștiga cu greu mai mult de o milioneme de secundă. Pentru ca câștigul în timp să devină vizibil, este necesar să se deplaseze cu o viteză apropiată de viteza luminii.
Se pare că creșterea vitezei corpurilor se reflectă în masa lor. Cu cât viteza unui corp este mai aproape de viteza luminii, cu atât masa acestuia este mai mare. La viteza unui corp egală cu viteza luminii, masa lui este egală cu infinitul, adică este mai mare decât masa Pământului, a Soarelui, a Galaxiei, a întregului nostru Univers... Aceasta este câtă masă poate fi concentrat într-un simplu pavaj, accelerând-o la viteză
Sveta!
Aceasta impune o limitare care nu permite niciunui corp material să dezvolte o viteză egală cu viteza luminii. La urma urmei, pe măsură ce masa crește, devine din ce în ce mai dificil să o dispersi. Și o masă infinită nu poate fi mișcată de nicio forță.
Cu toate acestea, natura a făcut o excepție foarte importantă de la această lege pentru o întreagă clasă de particule. De exemplu, pentru fotoni. Se pot mișca cu viteza luminii. Mai precis, ei nu se pot mișca cu nicio altă viteză. Este de neconceput să ne imaginăm un foton nemișcat.
Când staționează, nu are masă. De asemenea, neutrinii nu au o masă de repaus și sunt, de asemenea, condamnați la un etern zbor neîngrădit prin spațiu la viteza maximă posibilă în Universul nostru, fără să depășească lumina și să țină pasul cu ea.
Nu este adevărat că fiecare dintre consecințele teoriei speciale a relativității enumerate de noi este surprinzătoare, paradoxală! Și fiecare, desigur, este contrar „bunului simț”!
Dar iată ce este interesant: nu în forma sa concretă, ci ca poziție filozofică largă, toate aceste consecințe uimitoare au fost prezise de fondatorii materialismului dialectic. Ce spun aceste implicații? Despre conexiunile care interconectează energia și masa, masa și viteza, viteza și timpul, viteza și lungimea unui obiect în mișcare...
Descoperirea lui Einstein a interdependenței, ca cimentul (mai mult:), care conectează între ele armătura sau pietrele de fundație, a conectat lucruri și fenomene care anterior păruseră independente unele de altele și a creat fundația pe care pentru prima dată în istoria științei s-a aflat. posibilă construirea unei clădiri armonioase. Această clădire este o reprezentare a modului în care funcționează universul nostru.
Dar mai întâi, măcar câteva cuvinte despre teoria generală a relativității, creată tot de Albert Einstein.
Albert Einstein Această denumire - teoria generală a relativității - nu corespunde în totalitate cu conținutul teoriei, care va fi discutată. Stabilește interdependența dintre spațiu și materie. Se pare că ar fi mai corect să-l numești teoria spațiu-timp, sau teoria gravitației.
Dar acest nume a crescut atât de aproape de teoria lui Einstein încât chiar și ridicarea problemei înlocuirii lui pare indecentă pentru mulți oameni de știință.
Teoria generală a relativității a stabilit interdependența dintre materie și timpul și spațiul care o conțin. S-a dovedit că spațiul și timpul nu numai că nu pot fi imaginate ca existând separat de materie, dar proprietățile lor depind și de materia care le umple.
Punctul de pornire al discuției
Prin urmare, se poate doar preciza punct de plecare al discuţieiși trageți câteva concluzii importante.
La începutul călătoriei în spațiu, o catastrofă neașteptată a distrus biblioteca, fondul de film și alte depozite ale minții, memoria oamenilor care zburau prin spațiu. Iar natura planetei natale este uitată în schimbarea secolelor. Chiar și legea gravitației universale este uitată, deoarece racheta zboară în spațiul intergalactic, unde aproape că nu se simte.
Cu toate acestea, motoarele navei funcționează superb, aprovizionarea cu energie în baterii este practic nelimitată. De cele mai multe ori, nava se mișcă prin inerție, iar locuitorii ei sunt obișnuiți cu imponderabilitate. Dar uneori pornesc motoarele și încetinesc sau accelerează mișcarea navei. Când duzele cu jet arde în gol cu o flacără incoloră și nava se mișcă într-un ritm accelerat, locuitorii simt că corpurile lor devin grele, sunt forțați să meargă în jurul navei și să nu zboare de-a lungul coridoarelor.
Și acum zborul este aproape de finalizare. Nava zboară până la una dintre stele și cade pe orbitele celei mai potrivite planete. Navele se sting, mergând pe pământ verde proaspăt, trăind în permanență aceeași senzație de greutate, cunoscută de pe vremea când nava se mișca într-un ritm accelerat.
Dar planeta se mișcă uniform. Nu poate zbura spre ei cu o accelerație constantă de 9,8 m/s2! Și au prima presupunere că câmpul gravitațional (forța gravitațională) și accelerația dau același efect și, probabil, au o natură comună.
Niciunul dintre contemporanii noștri pământeni nu a fost într-un zbor atât de lung, dar mulți oameni au simțit fenomenul de „încărcare” și „luminare” a corpului lor. Deja un lift obișnuit, când se mișcă într-un ritm accelerat, creează acest sentiment. La coborâre simți o scădere bruscă în greutate; la urcare, dimpotrivă, podeaua îți apasă picioarele cu mai multă forță decât de obicei.
Dar un singur sentiment nu dovedește nimic. Până la urmă, senzațiile încearcă să ne convingă că Soarele se mișcă pe cer în jurul Pământului nemișcat, că toate stelele și planetele sunt la aceeași distanță de noi, în firmament etc.
Oamenii de știință au supus senzațiile unei verificări experimentale. Până și Newton s-a gândit la ciudata identitate a celor două fenomene. A încercat să le dea caracteristici numerice. După ce a măsurat gravitația și, a fost convins că valorile lor sunt întotdeauna strict egale între ele.
Din orice materiale a făcut pendulele plantei pilot: din argint, plumb, sticlă, sare, lemn, apă, aur, nisip, grâu. Rezultatul a fost același.
Principiul echivalenței, despre care vorbim, stă la baza teoriei generale a relativității, deși interpretarea modernă a teoriei nu mai are nevoie de acest principiu. Omitând deducțiile matematice care decurg din acest principiu, să trecem direct la unele consecințe ale teoriei generale a relativității.
Prezența unor mase mari de materie afectează foarte mult spațiul înconjurător. Ea duce la astfel de schimbări în el, care pot fi definite ca neomogenități ale spațiului. Aceste neomogenități direcționează mișcarea oricăror mase care sunt aproape de corpul care atrage.
De obicei, recurge la o astfel de analogie. Imaginează-ți o pânză întinsă strâns pe un cadru paralel cu suprafața pământului. Pune o greutate mare pe ea. Aceasta va fi marea noastră masă atrăgătoare. Ea, desigur, va îndoi pânza și va ajunge într-o adâncime. Acum rotiți mingea peste această pânză în așa fel încât o parte a traseului ei să se afle lângă masa care atrage. În funcție de modul în care mingea va fi lansată, sunt posibile trei opțiuni.
- Mingea va zbura suficient de departe de adâncitura creată de devierea pânzei și nu își va schimba mișcarea.
- Mingea va atinge adâncitura, iar liniile mișcării sale se vor îndoi spre masa de atragere.
- Bila va cădea în această gaură, nu va putea ieși din ea și va face una sau două rotații în jurul masei gravitatoare.
Nu este adevărat că a treia opțiune modelează foarte frumos capturarea de către o stea sau o planetă a unui corp străin zburat neglijent în câmpul lor de atracție?
Iar al doilea caz este îndoirea traiectoriei unui corp care zboară cu o viteză mai mare decât viteza posibilă de captare! Primul caz este similar cu zborul în afara zonei practice a câmpului gravitațional. Da, este practic, pentru că teoretic câmpul gravitațional este nelimitat.
Desigur, aceasta este o analogie foarte îndepărtată, în primul rând pentru că nimeni nu își poate imagina cu adevărat devierea spațiului nostru tridimensional. Care este semnificația fizică a acestei deviații sau curburi, așa cum se spune adesea, nimeni nu știe.
Din teoria generală a relativității rezultă că orice corp material se poate mișca într-un câmp gravitațional numai de-a lungul liniilor curbe. Doar în cazuri speciale, curba se transformă într-o linie dreaptă.
De asemenea, raza de lumină se supune acestei reguli. La urma urmei, este format din fotoni care au o anumită masă în zbor. Și câmpul gravitațional își are efectul asupra lui, precum și asupra unei molecule, a unui asteroid sau a unei planete.
O altă concluzie importantă este că și câmpul gravitațional modifică cursul timpului. Lângă o masă mare de atragere, într-un câmp gravitațional puternic creat de aceasta, trecerea timpului ar trebui să fie mai lentă decât departe de aceasta.
Vedeți, iar teoria generală a relativității este plină de concluzii paradoxale care ne pot răsturna ideile de „bun simț” din nou și din nou!
Colapsul gravitațional
Să vorbim despre un fenomen uimitor de natură cosmică - despre colapsul gravitațional (compresie catastrofală). Acest fenomen are loc în acumulări gigantice de materie, unde forțele gravitaționale ating mărimi atât de enorme încât nicio altă forță existentă în natură nu le poate rezista.
Amintiți-vă de celebra formulă a lui Newton: cu cât forța gravitației este mai mare, cu atât este mai mic pătratul distanței dintre corpurile gravitatoare. Astfel, cu cât formarea materială devine mai densă, cu cât dimensiunea sa este mai mică, cu atât forțele gravitaționale cresc mai rapid, cu atât mai inevitabil este îmbrățișarea lor distructivă.
Există o tehnică vicleană prin care natura se luptă cu comprimarea aparent nelimitată a materiei. Pentru a face acest lucru, oprește însuși cursul timpului în sfera de acțiune a forțelor gravitaționale supergigant, iar masele de materie încătușate sunt, parcă, deconectate de Universul nostru, înghețate într-un vis ciudat, letargic.
Prima dintre aceste „găuri negre” ale cosmosului a fost probabil deja descoperită. Conform ipotezei oamenilor de știință sovietici O. Kh. Huseynov și A. Sh. Novruzova, este delta Gemenilor - o stea dublă cu o componentă invizibilă.
Componenta vizibilă are o masă de 1,8 solar, iar „partenerul” său invizibil ar trebui să fie, conform calculelor, de patru ori mai masiv decât cel vizibil. Dar nu există urme ale acesteia: este imposibil să vezi cea mai uimitoare creație a naturii, „gaura neagră”.
Omul de știință sovietic, profesorul K.P. Stanyukovich, așa cum se spune, „pe vârful unui stilou”, a arătat prin construcții pur teoretice că particulele de „materie înghețată” pot avea dimensiuni foarte diverse.
- Formațiunile sale gigantice sunt posibile, asemănătoare quasarelor, care radiază continuu atâta energie cât radiază toate cele 100 de miliarde de stele ale galaxiei noastre.
- Sunt posibile aglomerări mult mai modeste, egale cu doar câteva mase solare. Atât acele obiecte, cât și alte obiecte pot apărea singure din materie obișnuită, nu „adormită”.
- Și sunt posibile formațiuni dintr-o clasă complet diferită, proporțională în masă cu particulele elementare.
Pentru ca ele să apară, este necesar să supunem mai întâi materia care îi face să ajungă la o presiune gigantică și să o conducem în limitele sferei Schwarzschild - o sferă în care timpul pentru un observator extern se oprește complet. Și chiar dacă după aceea presiunea este chiar îndepărtată, particulele pentru care timpul s-a oprit vor continua să existe independent de Universul nostru.
plankeons
Plankeonii sunt o clasă foarte specială de particule. Ei posedă, potrivit lui K.P. Stanyukovich, o proprietate extrem de interesantă: poartă materia în ei înșiși într-o formă neschimbată, așa cum era acum milioane și miliarde de ani. Privind în interiorul plankeonului, am putut vedea materia așa cum era la momentul nașterii universului nostru. Conform calculelor teoretice, în Univers există aproximativ 1080 de plankeoni, aproximativ un plankeon într-un cub de spațiu cu o latură de 10 centimetri. Apropo, în același timp cu Stanyukovici și (indiferent de el, ipoteza plankeonilor a fost prezentată de academicianul M.A. Markov. Numai Markov le-a dat un alt nume - maximoni.
Proprietățile speciale ale plankeonilor pot fi, de asemenea, folosite pentru a explica transformările uneori paradoxale ale particulelor elementare. Se știe că atunci când două particule se ciocnesc, fragmentele nu se formează niciodată, dar apar alte particule elementare. Acest lucru este cu adevărat uimitor: în lumea obișnuită, rupând o vază, nu vom primi niciodată căni întregi sau măcar rozete. Dar să presupunem că în adâncurile fiecărei particule elementare există un plankeon, unul sau mai mulți și uneori mulți plankeon.
În momentul ciocnirii particulelor, „sacul” strâns legat al plankeonului se deschide ușor, unele particule vor „cădea” în el și în loc să le „sare” pe cele pe care le considerăm că au apărut în timpul coliziunii. Totodată, plankeonul, în calitate de contabil diligent, va asigura toate „legile conservării” adoptate în lumea particulelor elementare.
Ei bine, ce legătură are mecanismul gravitației universale cu el?
„Responsabile” de gravitație, conform ipotezei lui K. P. Stanyukovich, sunt particulele minuscule, așa-numitele gravitoni, emise continuu de particulele elementare. Gravitonii sunt la fel de mai mici decât cei din urmă, precum un fir de praf care dansează într-o rază de soare este mai mic decât globul.
Radiația gravitonilor respectă o serie de regularități. În special, sunt mai ușor de zburat în acea regiune a spațiului. Care conține mai puțini gravitoni. Aceasta înseamnă că dacă există două corpuri cerești în spațiu, ambele vor radia gravitoni predominant „înspre exterior”, în direcții opuse unul față de celălalt. Acest lucru creează un impuls care determină corpurile să se apropie unele de altele, să se atragă.
Isaac Newton a sugerat că între orice corp din natură există forțe de atracție reciprocă. Aceste forțe sunt numite forțele gravitaționale sau forțe de gravitație. Forța gravitației ireprimabile se manifestă în spațiu, în sistemul solar și pe Pământ.
Legea gravitației
Newton a generalizat legile de mișcare ale corpurilor cerești și a descoperit că forța \ (F \) este egală cu:
\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
unde \(m_1 \) și \(m_2 \) sunt masele corpurilor care interacționează, \(R \) este distanța dintre ele, \(G \) este coeficientul de proporționalitate, care se numește constantă gravitațională. Valoarea numerică a constantei gravitaționale a fost determinată experimental de Cavendish, măsurând forța de interacțiune între bile de plumb.
Sensul fizic al constantei gravitaționale rezultă din legea gravitației universale. În cazul în care un \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , apoi \(G = F \) , adică constanta gravitațională este egală cu forța cu care două corpuri de 1 kg sunt atrase la o distanță de 1 m.
Valoare numerică:
\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .
Forțele gravitației universale acționează între orice corp din natură, dar ele devin tangibile la mase mari (sau dacă cel puțin masa unuia dintre corpuri este mare). Legea gravitației universale este îndeplinită numai pentru punctele materiale și bile (în acest caz, distanța dintre centrele bilelor este luată ca distanță).
Gravitatie
Un tip special de forță gravitațională universală este forța de atracție a corpurilor către Pământ (sau către o altă planetă). Această forță se numește gravitatie. Sub acțiunea acestei forțe, toate corpurile capătă accelerație de cădere liberă.
Conform celei de-a doua legi a lui Newton \(g = F_T /m \) , deci \(F_T = mg \) .
Dacă M este masa Pământului, R este raza acestuia, m este masa corpului dat, atunci forța gravitațională este egală cu
\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
Forța gravitației este întotdeauna îndreptată spre centrul Pământului. În funcție de înălțimea \ (h \) deasupra suprafeței Pământului și de latitudinea geografică a poziției corpului, accelerația în cădere liberă capătă valori diferite. Pe suprafața Pământului și la latitudini medii, accelerația de cădere liberă este de 9,831 m/s 2 .
Greutate corporala
În tehnologie și viața de zi cu zi, conceptul de greutate corporală este utilizat pe scară largă.
Greutate corporala notată cu \(P \) . Unitatea de greutate este newton (N). Deoarece greutatea este egală cu forța cu care corpul acționează asupra suportului, atunci, în conformitate cu a treia lege a lui Newton, greutatea corpului este egală ca mărime cu forța de reacție a suportului. Prin urmare, pentru a afla greutatea corpului, este necesar să se determine cu ce este egală forța de reacție a suportului.
Se presupune că corpul este nemișcat față de suport sau suspensie.
Greutatea corporală și gravitația diferă în natură: greutatea corporală este o manifestare a acțiunii forțelor intermoleculare, iar gravitația are natură gravitațională.
Se numește starea unui corp în care greutatea sa este zero imponderabilitate. Starea de imponderabilitate se observă într-un avion sau o navă spațială atunci când se deplasează cu accelerația căderii libere, indiferent de direcția și valoarea vitezei de mișcare a acestora. În afara atmosferei terestre, când motoarele cu reacție sunt oprite, asupra navei spațiale acționează doar forța gravitației universale. Sub acțiunea acestei forțe, nava spațială și toate corpurile din ea se mișcă cu aceeași accelerație, astfel încât starea de imponderabilitate este observată în navă.
Javascript este dezactivat în browserul dvs.Controalele ActiveX trebuie să fie activate pentru a face calcule!
