중력은 우주에서 가장 강력한 힘으로, 우주의 구조를 결정하는 우주의 4가지 기본 원리 중 하나입니다. 옛날 옛적에 그 덕분에 행성, 별, 은하계 전체가 생겼습니다. 오늘날 그것은 태양 주위를 끝없는 여행으로 지구를 궤도에 유지합니다.
매력은 사람의 일상 생활에도 매우 중요합니다. 이 보이지 않는 힘 덕분에 우리 세계의 바다는 맥동하고 강이 흐르고 빗방울이 땅에 떨어집니다. 어릴 때부터 우리는 몸과 주변 사물의 무게를 느낍니다. 중력이 우리 경제 활동에 미치는 영향도 엄청납니다.
중력에 관한 최초의 이론은 17세기 말 아이작 뉴턴에 의해 만들어졌습니다. 그의 만유인력 법칙은 고전 역학의 틀 내에서 이러한 상호 작용을 설명합니다. 이 현상은 아인슈타인이 지난 세기 초에 발표한 일반 상대성 이론에서 더 광범위하게 설명되었습니다. 소립자 수준에서 중력으로 일어나는 과정은 양자중력이론으로 설명해야 하는데 아직까지 만들어지지 않았다.
오늘날 우리는 뉴턴 시대보다 중력의 본질에 대해 훨씬 더 많이 알고 있지만 수세기에 걸친 연구에도 불구하고 중력은 여전히 현대 물리학의 진정한 걸림돌로 남아 있습니다. 기존 중력 이론에는 공백이 많으며, 무엇이 중력을 생성하고 이러한 상호 작용이 어떻게 전달되는지 정확히 이해하지 못합니다. 그리고 물론 우리는 중력을 제어할 수 있는 능력과는 거리가 매우 멀기 때문에 반중력이나 공중부양은 공상과학 소설의 페이지에서만 오랫동안 존재할 것입니다.
뉴턴의 머리에 무엇이 떨어졌습니까?
사람들은 물체를 지구로 끌어당기는 힘의 본질에 대해 항상 궁금해했지만, 아이작 뉴턴이 신비의 베일을 걷어낸 것은 17세기에 이르러서였습니다. 그 돌파구의 기초는 천체의 움직임을 연구한 뛰어난 과학자들인 케플러와 갈릴레오의 연구에 의해 마련되었습니다.
뉴턴의 만유인력 법칙이 나오기 150년 전에도 폴란드 천문학자 코페르니쿠스는 매력이란 “... 우주의 아버지가 모든 입자에게 부여한 자연스러운 욕망, 즉 하나의 공통된 전체로 통합하려는 자연스러운 욕망에 지나지 않습니다. 구형 몸체를 형성합니다.” 데카르트는 매력을 에테르 세계의 교란의 결과로 간주했습니다. 그리스 철학자이자 과학자인 아리스토텔레스는 질량이 물체가 떨어지는 속도에 영향을 미친다고 확신했습니다. 그리고 16세기 말 갈릴레오 갈릴레이만이 이것이 사실이 아님을 증명했습니다. 공기 저항이 없으면 모든 물체는 똑같이 가속됩니다.
머리와 사과에 관한 대중적인 전설과는 달리, 뉴턴은 중력의 본질을 이해하는 데 20년 이상이 걸렸습니다. 그의 중력 법칙은 역사상 가장 중요한 과학적 발견 중 하나입니다. 이는 보편적이며 천체의 궤적을 계산하고 우리 주변 물체의 동작을 정확하게 설명할 수 있습니다. 고전적인 중력 이론은 천체 역학의 기초를 마련했습니다. 뉴턴의 세 가지 법칙은 과학자들에게 문자 그대로 "펜 끝에서" 새로운 행성을 발견할 수 있는 기회를 제공했으며, 결국 그 덕분에 인간은 지구의 중력을 극복하고 우주로 날아갈 수 있었습니다. 그들은 모든 자연 현상이 상호 연결되고 일반적인 물리적 규칙에 의해 지배되는 우주의 물질적 통일성이라는 철학적 개념에 엄격한 과학적 기반을 가져 왔습니다.
뉴턴은 물체를 서로 끌어당기는 힘을 계산할 수 있는 공식을 발표했을 뿐만 아니라 수학적 분석도 포함된 완전한 모델을 만들었습니다. 이러한 이론적 결론은 가장 현대적인 방법을 사용하는 것을 포함하여 실제로 반복적으로 확인되었습니다.
뉴턴 이론에서 모든 물질적 물체는 중력이라고 불리는 매력적인 장을 생성합니다. 더욱이 힘은 두 물체의 질량에 비례하고 두 물체 사이의 거리에 반비례합니다.
F = (G·m1·m2)/r2
G는 중력 상수로, 6.67 × 10−11 m³/(kg s²)과 같습니다. 1798년 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)가 처음으로 이를 계산했습니다.
일상 생활과 응용 분야에서 지구가 신체를 끌어당기는 힘을 무게라고 합니다. 우주에 있는 두 물질 사이의 인력은 간단히 말해서 중력입니다.
중력은 물리학의 네 가지 기본 상호작용 중 가장 약하지만 그 특성으로 인해 항성계와 은하계의 움직임을 조절할 수 있습니다.
- 매력은 어떤 거리에서도 작동하며 이것이 중력과 강하고 약한 핵 상호 작용의 주요 차이점입니다. 거리가 멀어질수록 그 효과는 감소하지만 절대 0이 되지 않으므로 은하계의 서로 다른 끝에 위치한 두 원자라도 상호 영향을 미친다고 할 수 있습니다. 아주 작습니다.
- 중력은 보편적입니다. 매력의 장은 모든 물질적 신체에 내재되어 있습니다. 과학자들은 아직 우리 행성이나 우주에서 이러한 유형의 상호 작용에 참여하지 않는 물체를 발견하지 못했기 때문에 우주의 생명에서 중력의 역할은 엄청납니다. 이는 중력과 전자기 상호작용을 구별하며, 우주 과정에 미치는 영향은 최소화됩니다. 왜냐하면 자연적으로 대부분의 몸체는 전기적으로 중성이기 때문입니다. 중력은 제한되거나 보호될 수 없습니다.
- 중력은 물질뿐만 아니라 에너지에도 작용합니다. 그에게는 물체의 화학적 구성은 중요하지 않고 단지 질량만이 중요합니다.
뉴턴의 공식을 사용하면 인력의 힘을 쉽게 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 달의 중력은 지구에 있는 것보다 몇 배 더 작습니다. 왜냐하면 우리 위성의 질량이 상대적으로 작기 때문입니다. 그러나 그것은 세계 해양에서 규칙적인 썰물과 흐름을 형성하기에 충분합니다. 지구상에서 중력으로 인한 가속도는 약 9.81m/s2입니다. 또한 극에서는 적도보다 약간 더 큽니다.
과학의 발전을 위한 엄청난 중요성에도 불구하고 뉴턴의 법칙에는 연구자들을 괴롭히는 여러 가지 약점이 있었습니다. 광대한 거리에 걸쳐 절대적으로 빈 공간을 통해 중력이 이해할 수 없는 속도로 어떻게 작용하는지 명확하지 않았습니다. 또한 중력 역설이나 수성의 근일점 변위와 같은 뉴턴의 법칙과 모순되는 데이터가 점차 축적되기 시작했습니다. 만유인력 이론에 개선이 필요하다는 것이 분명해졌습니다. 이 영예는 독일의 뛰어난 물리학자 알베르트 아인슈타인에게 돌아갔습니다.
매력과 상대성 이론
뉴턴이 중력의 본질에 대한 논의를 거부한 것(“나는 가설을 세우지 않았습니다”)은 그의 개념의 명백한 약점이었습니다. 그 후 몇 년 동안 중력에 관한 많은 이론이 등장한 것은 놀라운 일이 아닙니다.
그들 대부분은 물질 물체와 특정 특성을 가진 일부 중간 물질의 기계적 상호 작용을 통해 중력의 발생을 입증하려는 소위 유체 역학 모델에 속했습니다. 연구자들은 이를 "진공", "에테르", "중력 흐름" 등으로 다르게 불렀습니다. 이 경우 물체에 흡수되거나 흐름이 차폐될 때 이 물질의 변화로 인해 물체 사이의 인력이 발생했습니다. 실제로 이러한 모든 이론에는 한 가지 심각한 단점이 있었습니다. 거리에 대한 중력의 의존성을 매우 정확하게 예측하면 "에테르" 또는 "중력자 흐름"에 상대적으로 움직이는 물체의 감속이 발생해야 했습니다.
아인슈타인은 이 문제에 대해 다른 각도에서 접근했습니다. 그의 일반 상대성 이론(GTR)에서 중력은 힘의 상호작용이 아니라 시공간 자체의 속성으로 간주됩니다. 질량이 있는 모든 물체는 휘어지게 되어 인력을 유발합니다. 이 경우 중력은 비유클리드 기하학의 틀 내에서 고려되는 기하학적 효과입니다.
간단히 말해서, 시공간 연속체는 물질에 영향을 주어 물질의 움직임을 유발합니다. 그리고 그녀는 공간에 영향을 미치며 구부리는 방법을 "알려줍니다".
인력은 소우주에도 작용하지만 기본 입자 수준에서는 정전기적 상호작용에 비해 그 영향이 무시할 수 있습니다. 물리학자들은 빅뱅 이후 첫 순간(10~43초)에 중력 상호작용이 다른 것보다 열등하지 않았다고 믿습니다.
현재 일반 상대성 이론에서 제안된 중력의 개념은 과학계의 대다수가 받아들이고 수많은 실험 결과를 통해 확인되는 주요 작업 가설입니다.
아인슈타인은 그의 연구에서 중력의 놀라운 효과를 예견했으며, 그 중 대부분은 이미 확인되었습니다. 예를 들어, 광선을 구부리고 시간의 흐름을 늦추는 거대한 물체의 능력이 있습니다. GLONASS 및 GPS와 같은 글로벌 위성 내비게이션 시스템을 작동할 때 후자 현상을 고려해야 합니다. 그렇지 않으면 며칠 후에 오류가 수십 킬로미터가 됩니다.
또한, 아인슈타인 이론의 결과는 중력장 및 관성 기준계의 항력(Lense-Thirring 효과라고도 함)과 같은 중력의 미묘한 효과입니다. 이러한 중력의 발현은 너무 약해서 오랫동안 감지할 수 없었습니다. 2005년에야 NASA의 독특한 임무 Gravity Probe B 덕분에 Lense-Thirring 효과가 확인되었습니다.
중력 복사 또는 최근 몇 년간의 가장 근본적인 발견
중력파는 빛의 속도로 이동하는 기하학적 시공간 구조의 진동입니다. 이 현상의 존재는 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서도 예측했지만, 중력이 약하기 때문에 그 크기가 매우 작아 오랫동안 감지할 수 없었습니다. 간접적인 증거만이 방사선의 존재를 뒷받침했습니다.
비대칭 가속도로 움직이는 물질 물체에 의해 유사한 파동이 생성됩니다. 과학자들은 이를 “시공간에서의 파문”이라고 묘사합니다. 그러한 방사선의 가장 강력한 원천은 충돌하는 은하계와 두 개의 물체로 구성된 붕괴하는 시스템입니다. 후자의 경우의 전형적인 예는 블랙홀이나 중성자별의 합병이다. 이러한 과정에서 중력 복사는 시스템 전체 질량의 50% 이상을 전달할 수 있습니다.
중력파는 2015년 LIGO 관측소 두 곳에서 처음 발견되었습니다. 거의 즉시, 이 사건은 최근 수십 년 동안 물리학에서 가장 큰 발견의 지위를 받았습니다. 2017년에 그는 노벨상을 수상했습니다. 그 후 과학자들은 중력 방사선을 여러 번 더 감지했습니다.
실험이 확인되기 오래 전인 지난 세기 70년대에 과학자들은 장거리 통신을 위해 중력 방사선을 사용할 것을 제안했습니다. 의심할 여지 없는 장점은 흡수되지 않고 어떤 물질도 통과할 수 있는 높은 능력입니다. 그러나 현재 이러한 파동을 생성하고 수신하는 데 엄청난 어려움이 있기 때문에 이는 거의 불가능합니다. 그리고 우리는 중력의 본질에 대한 실제 지식이 아직 충분하지 않습니다.
오늘날 LIGO와 유사한 여러 시설이 세계 여러 나라에서 운영되고 있으며 새로운 시설이 건설되고 있습니다. 가까운 장래에 중력 복사에 대해 더 많이 배우게 될 것 같습니다.
보편적 중력에 대한 대안 이론과 그 창조 이유
현재 중력의 지배적인 개념은 일반상대성이론이다. 기존의 실험 데이터 및 관찰 내용 전체가 이와 일치합니다. 동시에 명백한 약점과 논란의 여지가 있는 문제가 많기 때문에 중력의 본질을 설명하는 새로운 모델을 만들려는 시도는 멈추지 않습니다.
현재까지 개발된 모든 만유인력 이론은 몇 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다.
- 기준;
- 대안;
- 양자;
- 통일장 이론.
우주 중력에 대한 새로운 개념을 창조하려는 시도는 19세기에 이루어졌습니다. 다양한 저자들이 에테르 또는 빛의 미립자 이론을 여기에 포함시켰습니다. 그러나 일반 상대성 이론의 출현으로 이러한 연구는 중단되었습니다. 출판 후 과학자들의 목표는 바뀌었습니다. 이제 그들의 노력은 입자의 회전, 우주의 팽창 등 새로운 자연 현상을 포함하여 아인슈타인의 모델을 개선하는 것을 목표로 했습니다.
1980년대 초까지 물리학자들은 일반 상대성이론을 필수적인 부분으로 포함하는 개념을 제외한 모든 개념을 실험적으로 거부했습니다. 이때 매우 유망해 보이는 "끈 이론"이 유행했습니다. 그러나 이러한 가설은 실험적으로 확인된 적이 없습니다. 지난 수십 년 동안 과학은 상당한 수준에 도달했으며 엄청난 양의 경험적 데이터를 축적했습니다. 오늘날 대체 중력 이론을 만들려는 시도는 주로 "암흑 물질", "인플레이션", "암흑 에너지"와 같은 개념과 관련된 우주론 연구에서 영감을 얻었습니다.
현대 물리학의 주요 임무 중 하나는 양자 이론과 일반 상대성 이론이라는 두 가지 기본 방향을 통합하는 것입니다. 과학자들은 매력을 다른 유형의 상호 작용과 연결하여 "모든 것에 대한 이론"을 만들려고 노력하고 있습니다. 이것이 바로 양자 중력이 하는 일, 즉 중력 상호 작용에 대한 양자적 설명을 제공하려는 물리학의 한 분야입니다. 이 방향의 파생물은 루프 중력 이론입니다.
적극적이고 다년간의 노력에도 불구하고 이 목표는 아직 달성되지 않았습니다. 그리고 그것은 이 문제의 복잡성조차 아닙니다. 단지 양자 이론과 일반 상대성이론이 완전히 다른 패러다임에 기초하고 있다는 것입니다. 양자 역학은 일반적인 시공간을 배경으로 작동하는 물리적 시스템을 다룹니다. 그리고 상대성 이론에서 시공간 자체는 그 안에 위치한 고전 시스템의 매개변수에 따라 동적 구성요소입니다.
만유인력에 관한 과학적 가설과 함께 현대 물리학과는 거리가 먼 이론도 있습니다. 불행히도 최근 몇 년 동안 그러한 "반대"는 인터넷과 서점 선반에 넘쳐났습니다. 그러한 작품의 일부 저자는 일반적으로 독자에게 중력이 존재하지 않으며 뉴턴과 아인슈타인의 법칙은 허구이자 사기라는 것을 알려줍니다.
예를 들어 뉴턴이 만유 인력의 법칙을 발견하지 못했고 행성과 달만이 태양계에서 중력을 가지고 있다고 주장하는 "과학자" Nikolai Levashov의 작품이 있습니다. 이 "러시아 과학자"는 다소 이상한 증거를 제시합니다. 그 중 하나는 2000년에 발생한 미국 탐사선 NEAR Shoemaker가 소행성 에로스로 비행한 것입니다. Levashov는 탐사선과 천체 사이의 인력 부족이 뉴턴 연구의 허위와 중력에 대한 진실을 사람들에게 숨기는 물리학 자의 음모에 대한 증거라고 생각합니다.
실제로 우주선은 임무를 성공적으로 완료했습니다. 먼저 소행성 궤도에 진입한 다음 표면에 연착륙했습니다.
인공 중력과 그것이 필요한 이유
현재의 이론적 지위에도 불구하고 일반 대중에게 잘 알려진 중력과 관련된 두 가지 개념이 있습니다. 반중력과 인공중력이 그것이다.
반중력은 인력을 크게 줄이거나 반발력으로 대체할 수 있는 인력에 대응하는 과정입니다. 이러한 기술을 익히면 운송, 항공, 우주 탐사 분야에서 진정한 혁명이 일어나고 우리 삶 전체가 근본적으로 변화될 것입니다. 그러나 현재로서는 반중력 가능성에 대한 이론적 확인조차 이뤄지지 않고 있다. 더욱이 일반 상대성 이론에 따르면 우리 우주에는 음의 질량이 있을 수 없기 때문에 그러한 현상은 전혀 실현 가능하지 않습니다. 앞으로 우리는 중력에 대해 더 많이 배우고 이 원리에 기초하여 항공기를 만드는 법을 배울 가능성이 있습니다.
인공 중력은 기존 중력에 인간이 만든 변화입니다. 오늘날 우리에게는 그러한 기술이 실제로 필요하지 않지만 장기적인 우주 여행이 시작되면 상황은 확실히 바뀔 것입니다. 그리고 요점은 우리의 생리학에 있습니다. 수백만 년에 걸쳐 지구의 일정한 중력으로 진화하는 데 "익숙해진"인체는 중력 감소의 영향을 극도로 부정적으로 인식합니다. 달 중력 조건(지구보다 6배 약함)에서도 장기간 체류하면 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 인력의 환상은 관성과 같은 다른 물리적 힘을 사용하여 생성될 수 있습니다. 그러나 이러한 옵션은 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 현재 인공중력은 이론적인 근거조차 없으며, 실제 구현이 가능한지는 아주 먼 미래의 문제임이 분명합니다.
중력은 학교 때부터 모든 사람에게 알려진 개념입니다. 과학자들은 이 현상을 철저하게 조사했어야 했던 것 같습니다! 그러나 중력은 현대 과학의 가장 깊은 미스터리로 남아 있습니다. 그리고 이것은 우리의 거대하고 놀라운 세계에 대한 인간의 지식이 얼마나 제한적인지를 보여주는 훌륭한 예라고 할 수 있습니다.
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자연에는 신체의 상호작용을 특징짓는 다양한 힘이 있습니다. 역학에서 발생하는 힘을 고려해 봅시다.
중력.아마도 인간이 존재를 깨닫게 된 최초의 힘은 지구에서 물체에 작용하는 중력이었을 것입니다.
그리고 사람들이 중력이 모든 신체 사이에 작용한다는 것을 이해하는 데 수세기가 걸렸습니다. 그리고 사람들이 중력이 모든 신체 사이에 작용한다는 것을 이해하는 데 수세기가 걸렸습니다. 이 사실을 처음으로 이해한 사람은 영국의 물리학자 뉴턴이었습니다. 그는 행성의 운동을 지배하는 법칙(케플러의 법칙)을 분석하면서 관찰된 행성의 운동 법칙은 행성 사이에 질량에 정비례하고 질량에 반비례하는 인력이 있을 때만 충족될 수 있다는 결론에 도달했습니다. 그들 사이의 거리의 제곱입니다.
뉴턴이 공식화 만유인력의 법칙. 두 몸은 서로 끌어당깁니다. 점 몸체 사이의 인력은 점 몸체를 연결하는 직선을 따라 향하며 두 몸체의 질량에 정비례하고 두 몸체 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다.
이 경우 포인트 바디는 치수가 포인트 사이의 거리보다 몇 배 더 작은 바디로 이해됩니다.
우주 중력의 힘을 중력이라고 합니다. 비례 계수 G를 중력 상수라고 합니다. 그 값은 실험적으로 결정되었습니다: G = 6.7 10̅11 N m² / kg².
중력지구 표면 근처에서 작용하는 것은 중심을 향하며 다음 공식으로 계산됩니다.
여기서 g는 중력 가속도(g = 9.8m/s²)입니다.
살아있는 자연에서 중력의 역할은 매우 중요합니다. 왜냐하면 생명체의 크기, 모양 및 비율은 그 크기에 크게 좌우되기 때문입니다.
체중.어떤 하중이 수평면(지지대)에 놓일 때 어떤 일이 일어나는지 생각해 봅시다. 하중이 낮아지는 첫 순간에 하중은 중력의 영향으로 아래쪽으로 이동하기 시작합니다(그림 8).
평면이 구부러지고 위쪽으로 향하는 탄성력(지지 반력)이 나타납니다. 탄성력(Fу)이 중력과 균형을 이루면 신체가 낮아지고 지지대의 편향이 중지됩니다.
지지대의 편향은 신체의 작용으로 발생하므로 신체의 무게라고하는 특정 힘 (P)이 신체 측면의 지지대에 작용합니다 (그림 8, b). 뉴턴의 제3법칙에 따르면 물체의 무게는 지면 반력의 크기와 동일하며 반대 방향으로 향하게 됩니다.
P = - Fу = 무거움.
체중 물체가 상대적으로 움직이지 않는 수평 지지대에 작용하는 힘 P라고 합니다..
지지체에는 중력(무게)이 가해지기 때문에 변형되고 탄성으로 인해 중력에 대항합니다. 이 경우 지지측에서 발생하는 힘을 지지 반력이라고 하며, 반작용이 발생하는 바로 그 현상을 지지 반작용이라고 합니다. 뉴턴의 세 번째 법칙에 따르면 지지 반력은 물체의 중력과 크기가 같고 방향이 반대입니다.
지지대 위에 있는 사람이 지지대를 향한 신체 부위의 가속도에 따라 움직인다면 지지대의 반력은 ma만큼 증가합니다. 여기서 m은 사람의 질량이고 가속도는 다음과 같습니다. 그의 신체 일부가 움직인다. 이러한 동적 효과는 스트레인 게이지 장치(다이나모그램)를 사용하여 기록할 수 있습니다.
체중을 체중과 혼동해서는 안 됩니다. 신체의 질량은 비활성 특성을 특징으로 하며 중력이나 움직이는 가속도에 의존하지 않습니다.
신체의 무게는 지지대에 작용하는 힘을 특징으로 하며 중력과 운동 가속도에 따라 달라집니다.
예를 들어, 달에서 물체의 무게는 지구에 있는 물체의 무게보다 약 6배 적습니다. 두 경우 모두 질량은 동일하며 물체의 물질 양에 따라 결정됩니다.
일상생활, 기술, 스포츠에서 체중은 뉴턴(N)이 아닌 킬로그램힘(kgf)으로 표시되는 경우가 많습니다. 한 단위에서 다른 단위로의 전환은 1kgf = 9.8N 공식에 따라 수행됩니다.
지지대와 몸체가 움직이지 않을 때 몸체의 질량은 이 몸체의 중력과 같습니다. 지지대와 몸체가 약간의 가속으로 움직일 때 방향에 따라 몸체는 무중력 또는 과부하를 경험할 수 있습니다. 가속도가 방향으로 일치하고 중력 가속도와 같을 때 몸체의 무게는 0이 되므로 무중력 상태가 발생합니다(ISS, 하강 시 고속 엘리베이터). 지지 운동의 가속도가 자유 낙하 가속도와 반대일 때, 사람은 과부하(지구 표면에서 유인 우주선 발사, 위로 올라가는 고속 엘리베이터)를 경험합니다.
인력 또는 중력으로도 알려진 중력은 우주의 모든 물체와 신체가 소유하고 있는 물질의 보편적인 특성입니다. 중력의 본질은 모든 물질적 몸체가 주변의 다른 모든 몸체를 끌어당긴다는 것입니다.
지구 중력
중력이 우주의 모든 물체가 갖고 있는 일반적인 개념이자 성질이라면, 중력은 이 포괄적인 현상의 특별한 경우이다. 지구는 그 위에 위치한 모든 물질적 물체를 끌어당깁니다. 덕분에 사람과 동물은 지구를 가로질러 안전하게 이동할 수 있고, 강, 바다, 바다는 해안 안에 머물 수 있으며, 공기는 광대한 우주를 가로질러 날아갈 수 없지만 지구의 대기를 형성합니다.
공정한 질문이 생깁니다. 모든 물체에 중력이 있다면 왜 지구는 사람과 동물을 끌어당기고 그 반대는 되지 않습니까? 첫째, 우리는 또한 지구를 끌어당깁니다. 단지 끌어당기는 힘에 비해 우리의 중력은 무시할 수 있을 정도입니다. 둘째, 중력은 몸체의 질량에 직접적으로 의존합니다. 몸체의 질량이 작을수록 중력은 더 낮아집니다.
끌어당김의 힘이 좌우되는 두 번째 지표는 물체 사이의 거리입니다. 거리가 멀수록 중력의 영향은 줄어듭니다. 덕분에 행성은 궤도를 따라 움직이며 서로 떨어지지 않습니다.
지구, 달, 태양 및 기타 행성의 구형 모양은 중력의 힘에 의해 정확하게 빚지고 있다는 점은 주목할 만합니다. 그것은 중심 방향으로 작용하여 행성의 "몸"을 구성하는 물질을 중심 방향으로 끌어 당깁니다.
지구의 중력장
지구의 중력장은 두 가지 힘의 작용으로 인해 지구 주위에 형성되는 힘 에너지 장입니다.
- 중력;
- 원심력은 축을 중심으로 한 지구의 회전(일주 회전)으로 인해 발생합니다.
중력과 원심력이 모두 일정하게 작용하므로 중력장은 일정한 현상입니다.
이 필드는 태양, 달 및 기타 천체의 중력과 지구의 대기 질량에 의해 약간 영향을 받습니다.
만유인력의 법칙과 아이작 뉴턴 경
유명한 전설에 따르면 영국의 물리학자 아이작 뉴턴 경은 어느 날 낮에 정원을 거닐다가 하늘에 달이 떠 있는 것을 보았다고 합니다. 동시에 가지에서 사과가 떨어졌습니다. 당시 뉴턴은 운동 법칙을 연구하고 있었고 사과가 중력장의 영향을 받고 달이 지구 주위를 공전한다는 사실을 알고 있었습니다.
그리고 통찰력으로 밝혀진 뛰어난 과학자는 아마도 사과가 땅에 떨어지고 달이 궤도에 있는 것과 동일한 힘에 복종하고 은하계 전체를 무작위로 돌진하지 않을 것이라는 생각을 내놓았습니다. 이것이 뉴턴의 제3법칙이라고도 알려진 만유인력의 법칙이 발견된 방법입니다.
수학 공식의 언어에서 이 법칙은 다음과 같습니다.
에프=GMmm/D 2 ,
어디 에프- 두 몸체 사이의 상호 중력의 힘;
중- 첫 번째 몸체의 질량;
중- 두 번째 몸체의 질량;
디 2- 두 몸체 사이의 거리
G- 중력 상수는 6.67x10 -11과 같습니다.
먼저 지구를 고정된 공으로 상상해 봅시다(그림 3.1, a). 지구(질량 M)와 물체(질량 m) 사이의 중력 F는 다음 공식으로 결정됩니다. F=G밀리미터/r 2
여기서 r은 지구의 반경입니다. 상수 G는 다음과 같이 알려져 있습니다. 만유인력상수그리고 아주 작습니다. r이 일정할 때 힘 F는 일정합니다. 중. 지구에 의한 질량 m인 물체의 인력은 이 물체의 무게를 결정합니다. W = mg 방정식을 비교하면 다음과 같습니다: g = const = GM/r 2.
질량이 m인 물체가 지구에 끌리면 물체는 가속도 g로 "아래로" 떨어지게 되는데, 이는 A, B, C의 모든 지점과 지구 표면의 모든 지점에서 일정합니다(그림 3.1,6).
자유체력 다이어그램은 또한 질량이 m인 물체로부터 지구에 작용하는 힘이 있으며, 이는 지구에서 물체에 작용하는 힘의 반대 방향임을 보여줍니다. 그러나 지구의 질량 M은 너무 커서 공식 F = Ma로 계산되는 지구의 "상향" 가속도 a는 미미하며 무시할 수 있습니다. 지구는 구형이 아닌 모양입니다. 극 r r의 반경은 적도의 반경 r e보다 작습니다. 이는 극 F p에서 질량 m인 물체의 인력이 F p =GMm/r 2 p임을 의미합니다. 적도 F e = GMm/re 에서보다 큽니다. 따라서 극점에서의 자유낙하 가속도 g p는 적도에서의 자유낙하 가속도 g e보다 큽니다. 가속도 g는 지구 반경의 변화에 따라 위도에 따라 변합니다.
아시다시피 지구는 끊임없이 움직이고 있습니다. 축을 중심으로 회전하며 매일 한 바퀴씩 회전하며, 1년을 주기로 태양 주위의 궤도를 따라 움직입니다. 단순화를 위해 지구를 균질한 공으로 간주하여 극 A와 적도 C에서 질량 m의 물체의 움직임을 고려해 보겠습니다(그림 3.2). 하루 동안 A 지점의 몸체는 제자리에 유지된 채 360° 회전하고, C 지점의 몸체는 2l의 거리를 이동합니다. C점에 위치한 물체가 원형 궤도를 따라 움직이기 위해서는 어떤 종류의 힘이 필요합니다. 이것은 구심력이며 공식 mv 2 /r에 의해 결정됩니다. 여기서 v는 궤도에 있는 물체의 속도입니다. C 지점에 위치한 물체에 작용하는 중력 인력, F = GMm/r은 다음과 같아야 합니다.
a) 원을 그리며 신체의 움직임을 보장합니다.
b) 몸을 지구로 끌어당깁니다.
따라서 적도에서는 F = (mv 2 /r)+mg이고 극에서는 F = mg입니다. 이는 궤도 반경이 C 지점의 r에서 A 지점의 0으로 변경됨에 따라 g가 위도에 따라 변경됨을 의미합니다.
지구의 자전 속도가 너무 증가하여 적도에 있는 물체에 작용하는 구심력이 중력과 같아지면 어떤 일이 일어날지 상상해 보는 것은 흥미롭습니다. 즉, mv 2 /r = F = GMm/r 2 . 총 중력은 물체를 원형 궤도의 C 지점에 유지하는 데에만 사용되며 지구 표면에 작용하는 힘은 전혀 남지 않습니다. 지구의 자전 속도가 더 증가하면 몸이 우주로 "떠다니게" 됩니다. 동시에, 우주비행사를 태운 우주선이 mv*/R=F = GMm/R 2 등식이 충족되는 속도 v로 지구 중심 위의 높이 R까지 발사되면 이 우주선은 무중력 상태에서 지구 주위를 회전합니다.
중력 가속도 g의 정확한 측정은 표 3.1에 표시된 것처럼 g가 위도에 따라 변한다는 것을 보여줍니다. 따라서 어떤 물체의 무게는 지구 표면 위에서 위도 90°에서 최대로 변하고 위도 0°에서 최소로 변합니다.
이 훈련 수준에서는 가속도 g의 작은 변화는 일반적으로 무시되고 9.81m-s 2 의 평균값이 사용됩니다. 계산을 단순화하기 위해 가속도 g는 가장 가까운 정수, 즉 10m-s - 2로 사용되는 경우가 많으므로 지구에서 1kg의 몸무게, 즉 무게에 작용하는 인력을 10N으로 사용합니다. 대부분의 검사 위원회에서는 계산을 단순화하기 위해 수험생의 경우 g=10 m-s - 2 또는 10 N-kg -1을 사용합니다.
전설에 따르면 저녁 정원을 거닐며 물리학 문제에 대해 생각하고 있던 위대한 영국 과학자 아이작 뉴턴이 만유인력의 법칙을 발견했다는 것은 비밀이 아닙니다. 그 순간, 사과가 나무에서 떨어졌고(한 버전에 따르면 물리학자의 머리에 직접 떨어졌고 다른 버전에 따르면 단순히 떨어졌습니다), 나중에 뉴턴의 유명한 사과가 되었고 과학자는 유레카라는 통찰력을 얻었습니다. 뉴턴의 머리에 떨어진 사과는 뉴턴에게 만유인력의 법칙을 발견하도록 영감을 주었습니다. 왜냐하면 밤하늘의 달은 움직이지 않았지만 사과가 떨어졌기 때문입니다. 아마도 과학자는 달에 어떤 힘이 작용하고 있다고 생각했을 것입니다. 궤도), 그래서 사과가 땅에 떨어지게 만듭니다.
일부 과학사가에 따르면, 사과에 관한 이 모든 이야기는 단지 아름다운 허구일 뿐입니다. 사실 사과가 떨어졌는지 안 떨어졌는지가 중요한 것이 아니라, 이제 물리학과 천문학의 초석 중 하나가 된 만유인력의 법칙을 과학자가 실제로 발견하고 공식화했다는 사실이 중요합니다.
물론 뉴턴 이전에 사람들은 땅에 떨어지는 물체와 하늘에 있는 별을 모두 관찰했지만 그 전에는 두 가지 유형의 중력, 즉 지상(지구 내에서만 작용하여 물체가 떨어지게 함)과 천체( 별과 달에 작용). 뉴턴은 머리 속에서 이 두 가지 유형의 중력을 결합한 최초의 사람이었습니다. 중력은 단 하나뿐이며 그 작용은 보편적인 물리 법칙으로 설명될 수 있다는 것을 최초로 이해한 사람입니다.
만유인력 법칙의 정의
이 법칙에 따르면 모든 물질체는 서로 끌어당기며, 끌어당기는 힘은 신체의 물리적 또는 화학적 특성에 의존하지 않습니다. 모든 것이 가능한 한 단순화된다면 신체의 무게와 신체 사이의 거리에만 달려 있습니다. 또한 지구상의 모든 신체가 중력이라고 불리는 지구 자체의 중력의 영향을 받는다는 사실도 추가로 고려해야 합니다(라틴어에서 "gravitas"라는 단어는 무거움으로 번역됨).
이제 만유인력의 법칙을 가능한 한 간략하게 공식화하고 적어 보겠습니다. 질량이 m1과 m2이고 거리 R만큼 떨어진 두 물체 사이의 인력은 두 질량에 정비례하고 다음의 제곱에 반비례합니다. 그들 사이의 거리.
만유인력의 법칙 공식
아래에서는 만유인력 법칙의 공식을 여러분께 소개합니다.
이 공식에서 G는 중력 상수로, 6.67408(31) 10 −11과 같습니다. 이는 모든 물질적 물체에 대한 우리 행성의 중력이 미치는 영향의 크기입니다.
만유인력의 법칙과 물체의 무중력
뉴턴이 발견한 만유인력의 법칙과 그에 수반되는 수학적 장치는 나중에 천체 역학과 천문학의 기초를 형성했습니다. 그 도움으로 천체 운동의 본질과 현상을 설명할 수 있기 때문입니다. 무중력의. 행성과 같은 큰 물체의 인력 및 중력으로부터 상당한 거리에 있는 우주 공간에 있으면 모든 물질적 물체(예: 우주비행사가 탑승한 우주선)는 무중력 상태에 있게 됩니다. 지구의 중력 영향(중력 법칙 공식의 G) 또는 다른 행성의 영향은 더 이상 영향을 받지 않습니다.
만유인력의 법칙, 비디오
결론적으로 만유인력의 법칙 발견에 관한 유익한 영상입니다.
