La gravità è la forza più potente dell'Universo, uno dei quattro principi fondamentali dell'universo, che ne determina la struttura. Un tempo, grazie ad esso, sorsero pianeti, stelle e intere galassie. Oggi mantiene la Terra in orbita nel suo viaggio infinito attorno al Sole.
L’attrazione è anche di grande importanza per la vita quotidiana di una persona. Grazie a questa forza invisibile, gli oceani del nostro mondo pulsano, i fiumi scorrono e le gocce di pioggia cadono a terra. Fin dall'infanzia sentiamo il peso del nostro corpo e degli oggetti circostanti. Anche l’influenza della gravità sulle nostre attività economiche è enorme.
La prima teoria della gravità fu formulata da Isaac Newton alla fine del XVII secolo. La sua Legge di Gravitazione Universale descrive questa interazione nel quadro della meccanica classica. Questo fenomeno fu descritto più ampiamente da Einstein nella sua teoria generale della relatività, pubblicata all'inizio del secolo scorso. I processi che avvengono con la forza di gravità a livello delle particelle elementari dovrebbero essere spiegati dalla teoria quantistica della gravità, ma questa deve ancora essere creata.
Oggi sappiamo molto di più sulla natura della gravità rispetto ai tempi di Newton, ma nonostante secoli di studi, essa rimane ancora un vero ostacolo per la fisica moderna. Ci sono molti punti vuoti nell’attuale teoria della gravità e ancora non capiamo esattamente cosa la generi e come si trasferisca questa interazione. E, naturalmente, siamo molto lontani dall'essere in grado di controllare la forza di gravità, quindi l'antigravità o la levitazione esisteranno per molto tempo solo sulle pagine dei romanzi di fantascienza.
Cosa è caduto sulla testa di Newton?
Da sempre l'uomo si interroga sulla natura della forza che attrae gli oggetti sulla terra, ma fu solo nel XVII secolo che Isaac Newton riuscì a sollevare il velo del mistero. Le basi per la sua svolta furono gettate dalle opere di Keplero e Galileo, brillanti scienziati che studiarono i movimenti dei corpi celesti.
Anche un secolo e mezzo prima della Legge di Gravitazione Universale di Newton, l'astronomo polacco Copernico credeva che l'attrazione fosse “... nient'altro che un desiderio naturale di cui il padre dell'Universo ha dotato tutte le particelle, vale a dire di unirsi in un tutto comune, formando corpi sferici”. Cartesio considerava l'attrazione una conseguenza dei disturbi nell'etere mondiale. Il filosofo e scienziato greco Aristotele era sicuro che la massa influisse sulla velocità dei corpi in caduta. E solo Galileo Galilei alla fine del XVI secolo dimostrò che ciò non era vero: se non c'è resistenza dell'aria, tutti gli oggetti accelerano allo stesso modo.
Contrariamente alla leggenda popolare della testa e della mela, Newton impiegò più di vent'anni per comprendere la natura della gravità. La sua legge di gravità è una delle scoperte scientifiche più significative di tutti i tempi. È universale e consente di calcolare le traiettorie dei corpi celesti e di descrivere con precisione il comportamento degli oggetti intorno a noi. La teoria classica della gravità gettò le basi della meccanica celeste. Le tre leggi di Newton hanno dato agli scienziati l'opportunità di scoprire nuovi pianeti letteralmente “sulla punta della penna”; alla fine, grazie a loro, l'uomo è riuscito a superare la gravità terrestre e volare nello spazio. Hanno portato una rigorosa base scientifica al concetto filosofico dell'unità materiale dell'universo, in cui tutti i fenomeni naturali sono interconnessi e governati da regole fisiche generali.
Newton non solo pubblicò una formula che permetteva di calcolare la forza che attrae i corpi tra loro, ma creò anche un modello completo, che includeva anche l'analisi matematica. Queste conclusioni teoriche sono state ripetutamente confermate nella pratica, anche utilizzando i metodi più moderni.
Nella teoria newtoniana, qualsiasi oggetto materiale genera un campo attrattivo, chiamato gravitazionale. Inoltre la forza è proporzionale alla massa di entrambi i corpi e inversamente proporzionale alla distanza tra loro:
F = (Sol m1 m2)/r2
G è la costante gravitazionale, che è pari a 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Henry Cavendish fu il primo a calcolarlo nel 1798.
Nella vita quotidiana e nelle discipline applicate si parla di peso della forza con cui la terra attrae un corpo. L'attrazione tra due oggetti materiali qualsiasi nell'Universo è ciò che la gravità è in parole semplici.
La forza di gravità è la più debole delle quattro interazioni fondamentali della fisica, ma grazie alle sue proprietà è in grado di regolare il movimento dei sistemi stellari e delle galassie:
- L'attrazione funziona a qualsiasi distanza, questa è la principale differenza tra la gravità e le interazioni nucleari forti e deboli. All'aumentare della distanza il suo effetto diminuisce, ma non diventa mai pari a zero, quindi possiamo dire che anche due atomi situati alle estremità diverse della galassia hanno un'influenza reciproca. È solo molto piccolo;
- La gravità è universale. Il campo di attrazione è inerente a qualsiasi corpo materiale. Gli scienziati non hanno ancora scoperto un oggetto sul nostro pianeta o nello spazio che non partecipi a questo tipo di interazione, quindi il ruolo della gravità nella vita dell'Universo è enorme. Ciò distingue la gravità dall'interazione elettromagnetica, la cui influenza sui processi cosmici è minima, poiché in natura la maggior parte dei corpi sono elettricamente neutri. Le forze gravitazionali non possono essere limitate o schermate;
- La gravità agisce non solo sulla materia, ma anche sull'energia. Per lui non conta la composizione chimica degli oggetti, conta solo la loro massa.
Utilizzando la formula di Newton, la forza di attrazione può essere facilmente calcolata. Ad esempio, la gravità sulla Luna è molte volte inferiore a quella sulla Terra, perché il nostro satellite ha una massa relativamente piccola. Ma è sufficiente per formare flussi e riflussi regolari nell'Oceano Mondiale. Sulla Terra l'accelerazione di gravità è di circa 9,81 m/s2. Inoltre ai poli è leggermente maggiore che all'equatore.
Nonostante la loro enorme importanza per l’ulteriore sviluppo della scienza, le leggi di Newton presentavano una serie di punti deboli che perseguitavano i ricercatori. Non era chiaro come la gravità agisca attraverso lo spazio assolutamente vuoto su grandi distanze e ad una velocità incomprensibile. Inoltre, iniziarono gradualmente ad accumularsi dati che contraddicevano le leggi di Newton: ad esempio il paradosso gravitazionale o lo spostamento del perielio di Mercurio. È diventato ovvio che la teoria della gravitazione universale necessita di miglioramenti. Questo onore toccò al brillante fisico tedesco Albert Einstein.
Attrazione e teoria della relatività
Il rifiuto di Newton di discutere la natura della gravità (“Non invento alcuna ipotesi”) era un'evidente debolezza del suo concetto. Non sorprende che negli anni successivi siano emerse molte teorie sulla gravità.
La maggior parte di essi apparteneva ai cosiddetti modelli idrodinamici, che cercavano di dimostrare l'esistenza della gravità mediante l'interazione meccanica di oggetti materiali con una sostanza intermedia avente determinate proprietà. I ricercatori lo chiamavano diversamente: "vuoto", "etere", "flusso gravitonico", ecc. In questo caso, la forza di attrazione tra i corpi è nata a seguito di cambiamenti in questa sostanza, quando veniva assorbita da oggetti o flussi schermati. In realtà, tutte queste teorie avevano un grave inconveniente: prevedendo con precisione la dipendenza della forza gravitazionale dalla distanza, avrebbero dovuto portare alla decelerazione dei corpi che si muovevano rispetto all '"etere" o al "flusso gravitonico".
Einstein ha affrontato questo problema da una prospettiva diversa. Nella sua teoria generale della relatività (GTR), la gravità non è vista come un'interazione di forze, ma come una proprietà dello spazio-tempo stesso. Qualsiasi oggetto dotato di massa lo fa piegare, provocando attrazione. In questo caso, la gravità è un effetto geometrico considerato nel quadro della geometria non euclidea.
In poche parole, il continuum spazio-temporale influenza la materia, provocandone il movimento. E lei, a sua volta, influenza lo spazio, “dicendogli” come piegarsi.
Nel microcosmo agiscono anche forze attrattive, ma a livello delle particelle elementari la loro influenza, rispetto all'interazione elettrostatica, è trascurabile. I fisici ritengono che l'interazione gravitazionale non fosse inferiore alle altre nei primi momenti (10 -43 secondi) dopo il Big Bang.
Attualmente il concetto di gravità proposto nella teoria della relatività generale è la principale ipotesi di lavoro accettata dalla maggior parte della comunità scientifica e confermata dai risultati di numerosi esperimenti.
Einstein nel suo lavoro prevedeva gli effetti sorprendenti delle forze gravitazionali, la maggior parte dei quali sono già stati confermati. Ad esempio, la capacità dei corpi massicci di deviare i raggi luminosi e persino di rallentare il flusso del tempo. Quest'ultimo fenomeno deve essere preso in considerazione quando si utilizzano sistemi di navigazione satellitare globale come GLONASS e GPS, altrimenti dopo pochi giorni il loro errore sarebbe di decine di chilometri.
Inoltre, una conseguenza della teoria di Einstein sono i cosiddetti effetti sottili della gravità, come il campo gravimagnetico e la resistenza dei sistemi di riferimento inerziali (noto anche come effetto Lense-Thirring). Queste manifestazioni di gravità sono così deboli che non possono essere rilevate per molto tempo. Solo nel 2005, grazie alla missione unica della NASA Gravity Probe B, l’effetto Lense-Thirring è stato confermato.
Radiazione gravitazionale ovvero la scoperta più fondamentale degli ultimi anni
Le onde gravitazionali sono vibrazioni della struttura geometrica dello spazio-tempo che viaggiano alla velocità della luce. L'esistenza di questo fenomeno fu prevista anche da Einstein nella Relatività Generale, ma a causa della debolezza della forza gravitazionale, la sua grandezza è molto piccola, quindi non è stato possibile rilevarla per molto tempo. Solo prove indirette supportavano l’esistenza delle radiazioni.
Onde simili sono generate da qualsiasi oggetto materiale che si muove con accelerazione asimmetrica. Gli scienziati le descrivono come “increspature nello spazio-tempo”. Le fonti più potenti di tali radiazioni sono le galassie in collisione e i sistemi in collasso costituiti da due oggetti. Un tipico esempio di quest’ultimo caso è la fusione di buchi neri o stelle di neutroni. Durante tali processi, la radiazione gravitazionale può trasferire più del 50% della massa totale del sistema.
Le onde gravitazionali sono state scoperte per la prima volta nel 2015 da due osservatori LIGO. Quasi immediatamente, questo evento ricevette lo status di più grande scoperta fisica degli ultimi decenni. Nel 2017 gli è stato assegnato il Premio Nobel. Successivamente, gli scienziati sono riusciti a rilevare la radiazione gravitazionale più volte.
Già negli anni '70 del secolo scorso - molto prima della conferma sperimentale - gli scienziati proposero di utilizzare la radiazione gravitazionale per la comunicazione a lunga distanza. Il suo indubbio vantaggio è la sua elevata capacità di passare attraverso qualsiasi sostanza senza essere assorbito. Ma al momento questo è difficilmente possibile, perché ci sono enormi difficoltà nel generare e ricevere queste onde. E non abbiamo ancora una conoscenza reale sufficiente sulla natura della gravità.
Oggi diverse installazioni simili a LIGO operano in diversi paesi del mondo e ne vengono costruite di nuove. È probabile che impareremo di più sulla radiazione gravitazionale nel prossimo futuro.
Teorie alternative della gravità universale e ragioni della loro creazione
Al momento, il concetto dominante di gravità è la relatività generale. L’intera gamma esistente di dati sperimentali e osservazioni è coerente con esso. Allo stesso tempo, presenta un gran numero di evidenti punti deboli e questioni controverse, quindi i tentativi di creare nuovi modelli che spieghino la natura della gravità non si fermano.
Tutte le teorie sulla gravitazione universale sviluppate fino ad oggi possono essere suddivise in diversi gruppi principali:
- standard;
- alternativa;
- quantistico;
- teoria dei campi unificati.
I tentativi di creare un nuovo concetto di gravità universale furono fatti già nel XIX secolo. Vari autori vi hanno incluso l'etere o la teoria corpuscolare della luce. Ma la comparsa della Relatività Generale pose fine a queste ricerche. Dopo la sua pubblicazione, l'obiettivo degli scienziati è cambiato: ora i loro sforzi erano volti a migliorare il modello di Einstein, includendovi nuovi fenomeni naturali: la rotazione delle particelle, l'espansione dell'Universo, ecc.
All’inizio degli anni ’80, i fisici avevano rifiutato sperimentalmente tutti i concetti tranne quelli che includevano la relatività generale come parte integrante. In quel periodo entrarono di moda le “teorie delle stringhe”, che sembravano molto promettenti. Ma queste ipotesi non sono mai state confermate sperimentalmente. Negli ultimi decenni, la scienza ha raggiunto livelli significativi e ha accumulato un’enorme quantità di dati empirici. Oggi i tentativi di creare teorie alternative della gravità si ispirano principalmente alla ricerca cosmologica legata a concetti come “materia oscura”, “inflazione”, “energia oscura”.
Uno dei compiti principali della fisica moderna è l'unificazione di due direzioni fondamentali: la teoria quantistica e la relatività generale. Gli scienziati stanno cercando di collegare l’attrazione con altri tipi di interazioni, creando così una “teoria del tutto”. Questo è esattamente ciò che fa la gravità quantistica: una branca della fisica che cerca di fornire una descrizione quantistica delle interazioni gravitazionali. Una derivazione di questa direzione è la teoria della gravità ad anello.
Nonostante gli sforzi attivi e pluriennali, questo obiettivo non è stato ancora raggiunto. E non è nemmeno la complessità del problema: è solo che la teoria quantistica e la relatività generale si basano su paradigmi completamente diversi. La meccanica quantistica si occupa dei sistemi fisici che operano sullo sfondo dello spazio-tempo ordinario. E nella teoria della relatività, lo spazio-tempo stesso è una componente dinamica, a seconda dei parametri dei sistemi classici in esso situati.
Oltre alle ipotesi scientifiche sulla gravità universale, esistono anche teorie molto lontane dalla fisica moderna. Sfortunatamente, negli ultimi anni, tali "opus" hanno semplicemente inondato Internet e gli scaffali delle librerie. Alcuni autori di tali lavori generalmente informano il lettore che la gravità non esiste e che le leggi di Newton ed Einstein sono finzioni e bufale.
Un esempio sono le opere dello “scienziato” Nikolai Levashov, il quale afferma che Newton non ha scoperto la legge di gravitazione universale, e solo i pianeti e il nostro satellite Luna hanno forza gravitazionale nel sistema solare. Questo “scienziato russo” fornisce prove piuttosto strane. Uno di questi è il volo della sonda americana NEAR Shoemaker sull'asteroide Eros, avvenuto nel 2000. Levashov considera la mancanza di attrazione tra la sonda e il corpo celeste una prova della falsità delle opere di Newton e della cospirazione dei fisici che nascondono la verità sulla gravità alle persone.
In effetti, la navicella spaziale ha completato con successo la sua missione: prima è entrata nell'orbita dell'asteroide, quindi ha effettuato un atterraggio morbido sulla sua superficie.
La gravità artificiale e perché è necessaria
Ci sono due concetti associati alla gravità che, nonostante il loro attuale status teorico, sono ben noti al grande pubblico. Queste sono antigravità e gravità artificiale.
L'antigravità è un processo di contrasto della forza di attrazione, che può ridurla significativamente o addirittura sostituirla con la repulsione. Padroneggiare tale tecnologia porterebbe a una vera rivoluzione nei trasporti, nell’aviazione, nell’esplorazione spaziale e cambierebbe radicalmente la nostra intera vita. Ma al momento la possibilità dell’antigravità non ha nemmeno una conferma teorica. Inoltre, sulla base della relatività generale, un tale fenomeno non è affatto realizzabile, poiché non può esserci massa negativa nel nostro Universo. È possibile che in futuro impareremo di più sulla gravità e impareremo a costruire aerei basati su questo principio.
La gravità artificiale è un cambiamento provocato dall’uomo nella forza di gravità esistente. Oggi non abbiamo realmente bisogno di tale tecnologia, ma la situazione cambierà sicuramente dopo l’inizio dei viaggi spaziali a lungo termine. E il punto è nella nostra fisiologia. Il corpo umano, “abituato” in milioni di anni di evoluzione alla gravità costante della Terra, percepisce gli effetti della gravità ridotta in modo estremamente negativo. Una lunga permanenza anche in condizioni di gravità lunare (sei volte più debole di quella terrestre) può portare a conseguenze disastrose. L'illusione dell'attrazione può essere creata utilizzando altre forze fisiche, come l'inerzia. Tuttavia, tali opzioni sono complesse e costose. Al momento la gravità artificiale non ha nemmeno una giustificazione teorica; è ovvio che la sua possibile implementazione pratica è questione di un futuro molto lontano.
La gravità è un concetto noto a tutti fin dai tempi della scuola. Sembrerebbe che gli scienziati avrebbero dovuto studiare a fondo questo fenomeno! Ma la gravità rimane il mistero più profondo per la scienza moderna. E questo può essere definito un eccellente esempio di quanto sia limitata la conoscenza umana del nostro enorme e meraviglioso mondo.
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In natura esistono varie forze che caratterizzano l'interazione dei corpi. Consideriamo le forze che si verificano nella meccanica.
Forze gravitazionali. Probabilmente la prima forza di cui l'uomo si rese conto fu la forza di gravità che agisce sui corpi della Terra.
E ci sono voluti molti secoli perché le persone capissero che la forza di gravità agisce tra qualsiasi corpo. E ci sono voluti molti secoli perché le persone capissero che la forza di gravità agisce tra qualsiasi corpo. Il fisico inglese Newton fu il primo a comprendere questo fatto. Analizzando le leggi che governano il moto dei pianeti (leggi di Keplero), giunse alla conclusione che le leggi osservate del moto dei pianeti possono essere soddisfatte solo se tra loro esiste una forza attrattiva, direttamente proporzionale alle loro masse e inversamente proporzionale alla quadrato della distanza tra loro.
formulato da Newton legge di gravitazione universale. Due corpi qualsiasi si attraggono. La forza di attrazione tra corpi puntiformi è diretta lungo la retta che li collega, è direttamente proporzionale alle masse di entrambi e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro:
In questo caso per corpi puntiformi si intendono corpi le cui dimensioni sono molte volte inferiori alla distanza tra loro.
Le forze di gravità universale sono chiamate forze gravitazionali. Il coefficiente di proporzionalità G è chiamato costante gravitazionale. Il suo valore è stato determinato sperimentalmente: G = 6,7·10¯¹¹ N m²/kg².
Gravità agendo in prossimità della superficie terrestre è diretto verso il suo centro e si calcola con la formula:
dove g è l'accelerazione di gravità (g = 9,8 m/s²).
Il ruolo della gravità nella natura vivente è molto significativo, poiché le dimensioni, la forma e le proporzioni degli esseri viventi dipendono in gran parte dalla sua grandezza.
Peso corporeo. Consideriamo cosa succede quando un carico viene posizionato su un piano orizzontale (supporto). Nel primo momento dopo l'abbassamento del carico, questo inizia a muoversi verso il basso sotto l'influenza della gravità (Fig. 8).
Il piano si piega e appare una forza elastica (reazione di supporto) diretta verso l'alto. Dopo che la forza elastica (Fу) bilancia la forza di gravità, l'abbassamento del corpo e la deflessione del supporto si fermeranno.
La deflessione del supporto è avvenuta sotto l'azione del corpo, quindi una certa forza (P) agisce sul supporto dal lato del corpo, chiamata peso del corpo (Fig. 8, b). Secondo la terza legge di Newton, il peso di un corpo è uguale alla forza di reazione del terreno ed è diretto nella direzione opposta.
P = - Fу = Fpesante.
Peso corporeo si chiama la forza P con cui un corpo agisce su un supporto orizzontale immobile rispetto ad esso.
Poiché al supporto viene applicata la forza di gravità (peso), questo si deforma e, grazie alla sua elasticità, contrasta la forza di gravità. Le forze sviluppate in questo caso dal lato del supporto sono chiamate forze di reazione del supporto, e il fenomeno stesso dello sviluppo della controazione è chiamato reazione del supporto. Secondo la terza legge di Newton, la forza di reazione al supporto è uguale in grandezza alla forza di gravità del corpo e opposta in direzione.
Se una persona su un supporto si muove con l'accelerazione delle parti del suo corpo dirette dal supporto, allora la forza di reazione del supporto aumenta della quantità ma, dove m è la massa della persona, ed è l'accelerazione con cui la persona si muove. parti del suo corpo si muovono. Questi effetti dinamici possono essere registrati utilizzando dispositivi estensimetrici (dinamogrammi).
Il peso non deve essere confuso con il peso corporeo. La massa di un corpo caratterizza le sue proprietà inerti e non dipende né dalla forza di gravità né dall'accelerazione con cui si muove.
Il peso di un corpo caratterizza la forza con cui agisce sul sostegno e dipende sia dalla forza di gravità che dall'accelerazione del movimento.
Ad esempio, sulla Luna il peso di un corpo è circa 6 volte inferiore al peso di un corpo sulla Terra. La massa in entrambi i casi è la stessa ed è determinata dalla quantità di materia presente nel corpo.
Nella vita di tutti i giorni, nella tecnologia e nello sport, il peso è spesso indicato non in newton (N), ma in chilogrammi di forza (kgf). Il passaggio da un'unità all'altra viene effettuato secondo la formula: 1 kgf = 9,8 N.
Quando il supporto e il corpo sono immobili, la massa del corpo è uguale alla gravità di questo corpo. Quando il supporto e il corpo si muovono con una certa accelerazione, a seconda della direzione, il corpo può sperimentare assenza di gravità o sovraccarico. Quando l'accelerazione coincide nella direzione ed è uguale all'accelerazione di gravità, il peso del corpo sarà zero, quindi si verifica uno stato di assenza di gravità (ISS, ascensore ad alta velocità durante la discesa). Quando l'accelerazione del movimento del supporto è opposta all'accelerazione della caduta libera, la persona sperimenta un sovraccarico (il lancio di un veicolo spaziale con equipaggio dalla superficie della Terra, un ascensore ad alta velocità che sale verso l'alto).
La gravità, nota anche come attrazione o gravitazione, è una proprietà universale della materia posseduta da tutti gli oggetti e corpi nell'Universo. L'essenza della gravità è che tutti i corpi materiali attraggono tutti gli altri corpi che li circondano.
Gravità terrestre
Se la gravità è un concetto e una qualità generale posseduti da tutti gli oggetti nell'Universo, allora la gravità è un caso speciale di questo fenomeno globale. La terra attira a sé tutti gli oggetti materiali che si trovano su di essa. Grazie a ciò, le persone e gli animali possono muoversi in sicurezza sulla terra, i fiumi, i mari e gli oceani possono rimanere entro le loro coste e l'aria non può volare attraverso le vaste distese dello spazio, ma formare l'atmosfera del nostro pianeta.
Sorge una domanda giusta: se tutti gli oggetti hanno gravità, perché la Terra attira a sé persone e animali e non viceversa? Innanzitutto attiriamo a noi anche la Terra, solo che, rispetto alla sua forza di attrazione, la nostra gravità è trascurabile. In secondo luogo, la forza di gravità dipende direttamente dalla massa del corpo: minore è la massa del corpo, minori sono le sue forze gravitazionali.
Il secondo indicatore da cui dipende la forza di attrazione è la distanza tra gli oggetti: maggiore è la distanza, minore è l'effetto della gravità. Grazie anche a questo i pianeti si muovono nelle loro orbite e non cadono l'uno sull'altro.
È interessante notare che la Terra, la Luna, il Sole e altri pianeti devono la loro forma sferica proprio alla forza di gravità. Agisce in direzione del centro, attirando verso di sé la sostanza che costituisce il “corpo” del pianeta.
Il campo gravitazionale della Terra
Il campo gravitazionale della Terra è un campo energetico-forza che si forma attorno al nostro pianeta a causa dell'azione di due forze:
- gravità;
- forza centrifuga, che deve la sua comparsa alla rotazione della Terra attorno al proprio asse (rotazione diurna).
Poiché sia la gravità che la forza centrifuga agiscono costantemente, il campo gravitazionale è un fenomeno costante.
Il campo è leggermente influenzato dalle forze gravitazionali del Sole, della Luna e di alcuni altri corpi celesti, nonché dalle masse atmosferiche della Terra.
La legge di gravitazione universale e Sir Isaac Newton
Il fisico inglese Sir Isaac Newton, secondo una famosa leggenda, un giorno mentre passeggiava in giardino di giorno, vide la Luna nel cielo. Allo stesso tempo, una mela cadde dal ramo. Newton stava allora studiando la legge del moto e sapeva che una mela cade sotto l'influenza di un campo gravitazionale e la Luna ruota in orbita attorno alla Terra.
E poi il brillante scienziato, illuminato dall'intuizione, ha avuto l'idea che forse la mela cade a terra, obbedendo alla stessa forza grazie alla quale la Luna è nella sua orbita, e non correndo a caso attraverso la galassia. Fu così che venne scoperta la legge della gravitazione universale, conosciuta anche come Terza Legge di Newton.
Nel linguaggio delle formule matematiche, questa legge si presenta così:
F=GMM/G 2 ,
Dove F- la forza di gravità reciproca tra due corpi;
M- massa del primo corpo;
M- massa del secondo corpo;
D2- la distanza tra due corpi;
G- costante gravitazionale pari a 6,67x10 -11.
Innanzitutto, immaginiamo la Terra come una palla stazionaria (Fig. 3.1, a). La forza gravitazionale F tra la Terra (massa M) e un oggetto (massa m) è determinata dalla formula: F=Gmm/giro 2
dove r è il raggio della Terra. La costante G è conosciuta come costante gravitazionale universale ed estremamente piccolo. Quando r è costante, la forza F è costante. M. L'attrazione di un corpo di massa m da parte della Terra determina il peso di questo corpo: W = mg dal confronto delle equazioni si ottiene: g = cost = GM/r 2.
L’attrazione di un corpo di massa m da parte della Terra lo fa cadere “giù” con accelerazione g, che è costante in tutti i punti A, B, C e ovunque sulla superficie terrestre (Fig. 3.1,6).
Il diagramma delle forze del corpo libero mostra anche che esiste una forza che agisce sulla Terra da un corpo di massa m, che è diretta in modo opposto alla forza che agisce sul corpo dalla Terra. Tuttavia, la massa M della Terra è così grande che l'accelerazione “verso l'alto” a della Terra, calcolata con la formula F = Ma, è insignificante e può essere trascurata. La Terra ha una forma diversa da sferica: il raggio al polo r r è minore del raggio all'equatore r e. Ciò significa che la forza di attrazione di un corpo di massa m al polo F p =GMm/r 2 p è maggiore che all'equatore F e = GMm/r e . Pertanto, l'accelerazione di caduta libera g p al polo è maggiore dell'accelerazione di caduta libera g e all'equatore. L'accelerazione g cambia con la latitudine in base alla variazione del raggio della Terra.
Come sai, la Terra è in costante movimento. Ruota attorno al proprio asse, compiendo una rivoluzione ogni giorno, e si muove in un'orbita attorno al Sole con una rivoluzione di un anno. Per semplicità, prendendo la Terra come una palla omogenea, consideriamo il movimento dei corpi di massa m al polo A e all'equatore C (Fig. 3.2). In un giorno il corpo nel punto A ruota di 360° rimanendo sul posto, mentre il corpo nel punto C percorre una distanza di 2l. Affinché un corpo situato nel punto C possa muoversi su un'orbita circolare, è necessaria una sorta di forza. Questa è una forza centripeta, determinata dalla formula mv 2 /r, dove v è la velocità del corpo in orbita. La forza di attrazione gravitazionale agente su un corpo situato nel punto C, F = GMm/r, dovrebbe:
a) garantire il movimento del corpo in un cerchio;
b) attrarre il corpo verso la Terra.
Quindi F = (mv 2 /r)+mg all'equatore e F = mg al polo. Ciò significa che g cambia con la latitudine man mano che il raggio orbitale cambia da r nel punto C a zero nel punto A.
È interessante immaginare cosa accadrebbe se la velocità di rotazione della Terra aumentasse così tanto che la forza centripeta agente su un corpo all’equatore diventasse uguale alla forza di gravità, cioè mv 2 /r = F = GMm/r 2 . La forza gravitazionale totale verrebbe utilizzata esclusivamente per mantenere il corpo nel punto C in un'orbita circolare e non rimarrebbe alcuna forza che agisce sulla superficie della Terra. Qualsiasi ulteriore aumento della velocità di rotazione della Terra consentirebbe al corpo di “fluttuare via” nello spazio. Allo stesso tempo, se un’astronave con astronauti a bordo viene lanciata ad un’altezza R sopra il centro della Terra con una velocità v tale che sia soddisfatta l’uguaglianza mv*/R=F = GMm/R 2, allora questa astronave ruotare attorno alla Terra in condizioni di assenza di gravità.
Misurazioni accurate dell'accelerazione gravitazionale g mostrano che g varia con la latitudine, come mostrato nella Tabella 3.1. Ne consegue che il peso di un certo corpo cambia sopra la superficie terrestre da un massimo a 90° di latitudine ad un minimo a 0° di latitudine.
A questo livello di allenamento, piccoli cambiamenti nell'accelerazione g vengono solitamente trascurati e viene utilizzato il valore medio di 9,81 m-s 2. Per semplificare i calcoli, l'accelerazione g viene spesso presa come numero intero più vicino, cioè 10 m-s - 2, e quindi la forza di attrazione agente dalla Terra su un corpo del peso di 1 kg, cioè del peso, viene presa come 10 N. La maggior parte delle commissioni d'esame suggeriscono utilizzando g=10 m-s - 2 o 10 N-kg -1 per gli esaminati per semplificare i calcoli.
Non è un segreto che la legge della gravitazione universale sia stata scoperta dal grande scienziato inglese Isaac Newton, che, secondo la leggenda, passeggiava nel giardino serale e pensava ai problemi della fisica. In quel momento dall'albero cadde una mela (secondo una versione direttamente sulla testa del fisico, secondo un'altra semplicemente cadde), che in seguito divenne la famosa mela di Newton, poiché portò lo scienziato a un'intuizione, un'eureka. La mela caduta sulla testa di Newton lo ispirò a scoprire la legge di gravitazione universale, perché la Luna nel cielo notturno rimaneva immobile, ma la mela cadde, forse lo scienziato pensava che qualche forza agisse sulla Luna (facendola ruotare in orbita), quindi sulla mela, facendola cadere a terra.
Ora, secondo alcuni storici della scienza, tutta questa storia della mela è solo una bellissima finzione. In realtà, che la mela sia caduta o meno, non è così importante; l'importante è che lo scienziato abbia effettivamente scoperto e formulato la legge di gravitazione universale, che oggi è uno dei capisaldi sia della fisica che dell'astronomia.
Naturalmente, molto prima di Newton, le persone osservavano sia le cose che cadevano a terra che le stelle nel cielo, ma prima di lui credevano che esistessero due tipi di gravità: terrestre (che agisce esclusivamente all'interno della Terra, provocando la caduta dei corpi) e celeste ( agendo sulle stelle e sulla luna). Newton fu il primo a combinare nella sua testa questi due tipi di gravità, il primo a capire che esiste una sola gravità e la sua azione può essere descritta da una legge fisica universale.
Definizione della legge di gravitazione universale
Secondo questa legge, tutti i corpi materiali si attraggono e la forza di attrazione non dipende dalle proprietà fisiche o chimiche dei corpi. Dipende, se tutto è semplificato il più possibile, solo dal peso dei corpi e dalla distanza tra loro. È inoltre necessario tenere conto del fatto che tutti i corpi sulla Terra sono influenzati dalla forza gravitazionale del nostro pianeta stesso, che si chiama gravità (dal latino la parola "gravitas" è tradotta come pesantezza).
Cerchiamo ora di formulare e scrivere il più brevemente possibile la legge di gravitazione universale: la forza di attrazione tra due corpi di massa m1 e m2 separati da una distanza R è direttamente proporzionale ad entrambe le masse e inversamente proporzionale al quadrato di la distanza tra loro.
Formula della legge di gravitazione universale
Di seguito presentiamo alla vostra attenzione la formula della legge di gravitazione universale.
G in questa formula è la costante gravitazionale, pari a 6.67408(31) 10 −11, questa è l'entità dell'impatto della forza gravitazionale del nostro pianeta su qualsiasi oggetto materiale.
La legge della gravitazione universale e dell'assenza di gravità dei corpi
La legge di gravitazione universale scoperta da Newton, così come l'apparato matematico che l'accompagna, costituì in seguito la base della meccanica celeste e dell'astronomia, perché con il suo aiuto è possibile spiegare la natura del movimento dei corpi celesti, così come il fenomeno dell'assenza di gravità. Trovandosi nello spazio a una distanza considerevole dalla forza di attrazione e gravità di un corpo così grande come un pianeta, qualsiasi oggetto materiale (ad esempio un'astronave con a bordo gli astronauti) si troverà in uno stato di assenza di gravità, poiché la forza dell'influenza gravitazionale della Terra (G nella formula della legge di gravità) o di qualche altro pianeta non lo influenzeranno più.
Legge di gravitazione universale, video
E per concludere, un video istruttivo sulla scoperta della legge di gravitazione universale.
