Grawitacja jest najpotężniejszą siłą we Wszechświecie, jedną z czterech podstawowych zasad wszechświata, która określa jego strukturę. Dawno, dawno temu dzięki niemu powstały planety, gwiazdy i całe galaktyki. Dziś utrzymuje Ziemię na orbicie w jej niekończącej się podróży wokół Słońca.
Atrakcyjność ma również ogromne znaczenie w codziennym życiu człowieka. Dzięki tej niewidzialnej sile oceany naszego świata pulsują, płyną rzeki, a krople deszczu spadają na ziemię. Od dzieciństwa czujemy ciężar naszego ciała i otaczających nas przedmiotów. Wpływ grawitacji na naszą działalność gospodarczą jest również ogromny.
Pierwszą teorię grawitacji stworzył Izaak Newton pod koniec XVII wieku. Jego Prawo powszechnego ciążenia opisuje tę interakcję w ramach mechaniki klasycznej. Zjawisko to szerzej opisał Einstein w swojej ogólnej teorii względności, która została opublikowana na początku ubiegłego wieku. Procesy zachodzące z siłą grawitacji na poziomie cząstek elementarnych należy wyjaśnić kwantową teorią grawitacji, ale nie została ona jeszcze stworzona.
Wiemy dziś znacznie więcej o naturze grawitacji niż w czasach Newtona, ale pomimo stuleci badań, nadal pozostaje ona prawdziwą przeszkodą dla współczesnej fizyki. W istniejącej teorii grawitacji jest wiele białych plam i nadal nie rozumiemy dokładnie, co ją generuje i w jaki sposób ta interakcja jest przenoszona. I oczywiście daleko nam do kontrolowania siły grawitacji, więc antygrawitacja czy lewitacja jeszcze długo będą istnieć jedynie na kartach powieści science fiction.
Co spadło na głowę Newtona?
Ludzie zawsze zastanawiali się nad naturą siły przyciągającej przedmioty na ziemię, ale dopiero w XVII wieku Izaakowi Newtonowi udało się podnieść zasłonę tajemnicy. Podstawą jego przełomu były prace Keplera i Galileusza, genialnych naukowców badających ruchy ciał niebieskich.
Już półtora wieku przed wprowadzeniem Prawa Powszechnego Grawitacji Newtona polski astronom Kopernik uważał, że przyciąganie to „...nic innego jak naturalne pragnienie, jakim Ojciec Wszechświata obdarzył wszystkie cząstki, a mianowicie zjednoczenie się w jedną wspólną całość, tworząc ciała kuliste.” Kartezjusz uważał, że przyciąganie jest konsekwencją zaburzeń w eterze świata. Grecki filozof i naukowiec Arystoteles był pewien, że masa wpływa na prędkość spadania ciał. I dopiero Galileo Galilei pod koniec XVI wieku udowodnił, że to nieprawda: jeśli nie ma oporu powietrza, wszystkie obiekty przyspieszają jednakowo.
Wbrew popularnej legendzie o głowie i jabłku Newtonowi zajęło ponad dwadzieścia lat zrozumienie natury grawitacji. Jego prawo grawitacji jest jednym z najważniejszych odkryć naukowych wszechczasów. Jest uniwersalny i pozwala obliczyć trajektorie ciał niebieskich oraz dokładnie opisać zachowanie otaczających nas obiektów. Klasyczna teoria grawitacji położyła podwaliny pod mechanikę nieba. Trzy prawa Newtona dały naukowcom możliwość odkrywania nowych planet dosłownie „na czubku pióra”, w końcu dzięki nim człowiekowi udało się pokonać grawitację Ziemi i polecieć w kosmos. Wnieśli ścisłą podstawę naukową do filozoficznej koncepcji materialnej jedności wszechświata, w której wszystkie zjawiska naturalne są ze sobą powiązane i podlegają ogólnym zasadom fizycznym.
Newton nie tylko opublikował wzór pozwalający obliczyć siłę przyciągającą ciała do siebie, ale stworzył kompletny model, który obejmował również analizę matematyczną. Te teoretyczne wnioski zostały wielokrotnie potwierdzone w praktyce, w tym przy zastosowaniu najnowocześniejszych metod.
W teorii Newtona każdy obiekt materialny generuje pole atrakcyjne, które nazywa się grawitacyjnym. Ponadto siła jest proporcjonalna do masy obu ciał i odwrotnie proporcjonalna do odległości między nimi:
F = (G m1 m2)/r2
G jest stałą grawitacji, która jest równa 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Jako pierwszy obliczył to Henry Cavendish w 1798 r.
W życiu codziennym i w dyscyplinach stosowanych o sile, z jaką Ziemia przyciąga ciało, mówi się jako o jego ciężarze. Przyciąganie pomiędzy dowolnymi dwoma obiektami materialnymi we Wszechświecie jest tym, czym w prostych słowach jest grawitacja.
Siła grawitacji jest najsłabszym z czterech podstawowych oddziaływań fizyki, ale dzięki swoim właściwościom jest w stanie regulować ruch układów gwiezdnych i galaktyk:
- Przyciąganie działa na każdą odległość, to jest główna różnica między grawitacją a silnymi i słabymi oddziaływaniami jądrowymi. Wraz ze wzrostem odległości jego działanie maleje, ale nigdy nie osiąga wartości zerowej, można więc powiedzieć, że nawet dwa atomy znajdujące się na różnych końcach galaktyki mają na siebie wzajemny wpływ. Jest po prostu bardzo mały;
- Grawitacja jest uniwersalna. Pole przyciągania jest nieodłączną częścią każdego materialnego ciała. Naukowcy nie odkryli jeszcze obiektu na naszej planecie ani w kosmosie, który nie brałby udziału w tego typu oddziaływaniach, dlatego rola grawitacji w życiu Wszechświata jest ogromna. To odróżnia grawitację od interakcji elektromagnetycznej, której wpływ na procesy kosmiczne jest minimalne, ponieważ w naturze większość ciał jest elektrycznie obojętna. Sił grawitacyjnych nie można ograniczać ani chronić;
- Grawitacja działa nie tylko na materię, ale także na energię. Dla niego skład chemiczny przedmiotów nie ma znaczenia, liczy się tylko ich masa.
Korzystając ze wzoru Newtona, można łatwo obliczyć siłę przyciągania. Na przykład grawitacja na Księżycu jest kilkakrotnie mniejsza niż na Ziemi, ponieważ nasz satelita ma stosunkowo małą masę. Ale wystarczy, aby w Oceanie Światowym utworzyły się regularne przypływy i odpływy. Na Ziemi przyspieszenie grawitacyjne wynosi około 9,81 m/s2. Co więcej, na biegunach jest nieco większa niż na równiku.
Pomimo ogromnego znaczenia dla dalszego rozwoju nauki, prawa Newtona miały szereg słabości, które nie dawały spokoju badaczom. Nie było jasne, jak grawitacja działa w całkowicie pustej przestrzeni na ogromne odległości i z niezrozumiałą prędkością. Ponadto stopniowo zaczęły gromadzić się dane sprzeczne z prawami Newtona: na przykład paradoks grawitacyjny lub przemieszczenie peryhelium Merkurego. Stało się oczywiste, że teoria powszechnego ciążenia wymaga udoskonalenia. Zaszczyt ten przypadł genialnemu niemieckiemu fizykowi Albertowi Einsteinowi.
Przyciąganie i teoria względności
Odmowa Newtona dyskusji na temat natury grawitacji („nie wymyślam żadnych hipotez”) była oczywistą słabością jego koncepcji. Nic dziwnego, że w kolejnych latach pojawiło się wiele teorii grawitacji.
Większość z nich należała do tzw. modeli hydrodynamicznych, które próbowały uzasadnić występowanie grawitacji poprzez mechaniczne oddziaływanie obiektów materialnych z jakąś substancją pośrednią o określonych właściwościach. Badacze nazywali to inaczej: „próżnią”, „eterem”, „przepływem grawitonowym” itp. W tym przypadku siła przyciągania między ciałami powstała w wyniku zmian w tej substancji, gdy została ona pochłonięta przez przedmioty lub przepływy ekranowane. W rzeczywistości wszystkie takie teorie miały jedną poważną wadę: dość trafnie przewidując zależność siły grawitacji od odległości, powinny były prowadzić do opóźnienia ciał poruszających się względem „eteru” lub „przepływu grawitonu”.
Einstein podszedł do tej kwestii z innej perspektywy. W jego ogólnej teorii względności (GTR) grawitacja jest postrzegana nie jako interakcja sił, ale jako właściwość samej czasoprzestrzeni. Każdy obiekt posiadający masę powoduje jego zgięcie, co powoduje przyciąganie. W tym przypadku grawitacja jest efektem geometrycznym rozpatrywanym w ramach geometrii nieeuklidesowej.
Mówiąc najprościej, kontinuum czasoprzestrzenne oddziałuje na materię, powodując jej ruch. A ona z kolei wpływa na przestrzeń, „mówiąc” jej, jak się zaginać.
Siły przyciągania działają także w mikrokosmosie, jednak na poziomie cząstek elementarnych ich wpływ w porównaniu z oddziaływaniem elektrostatycznym jest znikomy. Fizycy uważają, że oddziaływanie grawitacyjne nie było gorsze od innych w pierwszych chwilach (10–43 sekund) po Wielkim Wybuchu.
Obecnie koncepcja grawitacji zaproponowana w ogólnej teorii względności jest główną hipotezą roboczą akceptowaną przez większość społeczności naukowej i potwierdzoną wynikami licznych eksperymentów.
Einstein w swojej pracy przewidział zdumiewające działanie sił grawitacyjnych, z których większość została już potwierdzona. Na przykład zdolność masywnych ciał do zaginania promieni świetlnych, a nawet spowalniania upływu czasu. To ostatnie zjawisko trzeba brać pod uwagę, obsługując globalne systemy nawigacji satelitarnej, takie jak GLONASS i GPS, w przeciwnym razie po kilku dniach ich błąd sięgałby kilkudziesięciu kilometrów.
Ponadto konsekwencją teorii Einsteina są tzw. subtelne efekty grawitacji, takie jak pole grawimagnetyczne i opór inercjalnych układów odniesienia (znany również jako efekt Lense-Thirringa). Te przejawy grawitacji są tak słabe, że przez długi czas nie można ich było wykryć. Dopiero w 2005 roku, dzięki unikalnej misji NASA Gravity Probe B, potwierdzono efekt Lense-Thirringa.
Promieniowanie grawitacyjne, czyli najbardziej fundamentalne odkrycie ostatnich lat
Fale grawitacyjne to wibracje geometrycznej struktury czasoprzestrzennej, które przemieszczają się z prędkością światła. Istnienie tego zjawiska przewidywał także Einstein w ogólnej teorii względności, jednak ze względu na słabość siły grawitacyjnej jego wielkość jest bardzo mała, przez co przez długi czas nie można było go wykryć. Tylko pośrednie dowody potwierdzały istnienie promieniowania.
Podobne fale generowane są przez dowolne obiekty materialne poruszające się z asymetrycznym przyspieszeniem. Naukowcy opisują je jako „fale w czasoprzestrzeni”. Najpotężniejszymi źródłami takiego promieniowania są zderzające się galaktyki i zapadające się układy składające się z dwóch obiektów. Typowym przykładem tego drugiego przypadku jest łączenie się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Podczas takich procesów promieniowanie grawitacyjne może przenieść ponad 50% całkowitej masy układu.
Fale grawitacyjne zostały po raz pierwszy odkryte w 2015 roku przez dwa obserwatoria LIGO. Niemal natychmiast wydarzenie to otrzymało status największego odkrycia w fizyce ostatnich dziesięcioleci. W 2017 roku otrzymał Nagrodę Nobla. Następnie naukowcom udało się jeszcze kilka razy wykryć promieniowanie grawitacyjne.
Już w latach 70. ubiegłego wieku – na długo przed potwierdzeniem eksperymentalnym – naukowcy zaproponowali wykorzystanie promieniowania grawitacyjnego do komunikacji na duże odległości. Jego niewątpliwą zaletą jest duża zdolność przenikania przez każdą substancję bez wchłaniania. Jednak obecnie jest to prawie niemożliwe, ponieważ istnieją ogromne trudności w generowaniu i odbieraniu tych fal. Wciąż nie mamy wystarczającej wiedzy na temat natury grawitacji.
Dziś w różnych krajach świata działa kilka instalacji podobnych do LIGO i budowane są nowe. Jest prawdopodobne, że w najbliższej przyszłości dowiemy się więcej o promieniowaniu grawitacyjnym.
Alternatywne teorie powszechnej grawitacji i przyczyny ich powstania
W tej chwili dominującą koncepcją grawitacji jest ogólna teoria względności. Cały istniejący zestaw danych eksperymentalnych i obserwacji jest z nim zgodny. Jednocześnie ma wiele oczywistych słabości i kwestii kontrowersyjnych, dlatego nie kończą się próby stworzenia nowych modeli wyjaśniających naturę grawitacji.
Wszystkie opracowane dotychczas teorie powszechnego ciążenia można podzielić na kilka głównych grup:
- standard;
- alternatywny;
- kwant;
- ujednolicona teoria pola.
Próby stworzenia nowej koncepcji powszechnej grawitacji podejmowano już w XIX wieku. Różni autorzy włączali do niego eter lub korpuskularną teorię światła. Jednak pojawienie się Ogólnej Teorii Względności położyło kres tym badaniom. Po jego opublikowaniu zmienił się cel naukowców - teraz ich wysiłki miały na celu ulepszenie modelu Einsteina, uwzględniając w nim nowe zjawiska naturalne: spin cząstek, ekspansję Wszechświata itp.
Na początku lat 80. fizycy eksperymentalnie odrzucili wszystkie koncepcje z wyjątkiem tych, które obejmowały ogólną teorię względności jako integralną część. W tym czasie weszły w modę „teorie strun”, które wyglądały bardzo obiecująco. Ale hipotezy te nigdy nie zostały potwierdzone eksperymentalnie. W ciągu ostatnich dziesięcioleci nauka osiągnęła znaczny poziom i zgromadziła ogromną ilość danych empirycznych. Dziś próby stworzenia alternatywnych teorii grawitacji inspirowane są głównie badaniami kosmologicznymi związanymi z takimi pojęciami jak „ciemna materia”, „inflacja”, „ciemna energia”.
Jednym z głównych zadań współczesnej fizyki jest unifikacja dwóch podstawowych kierunków: teorii kwantowej i ogólnej teorii względności. Naukowcy próbują połączyć przyciąganie z innymi rodzajami interakcji, tworząc w ten sposób „teorię wszystkiego”. To właśnie robi grawitacja kwantowa – gałąź fizyki, która stara się zapewnić kwantowy opis oddziaływań grawitacyjnych. Odgałęzieniem tego kierunku jest teoria grawitacji pętlowej.
Mimo aktywnych i wieloletnich wysiłków cel ten nie został dotychczas osiągnięty. I nie chodzi nawet o złożoność tego problemu: po prostu teoria kwantowa i ogólna teoria względności opierają się na zupełnie różnych paradygmatach. Mechanika kwantowa zajmuje się układami fizycznymi działającymi na tle zwykłej czasoprzestrzeni. A w teorii względności sama czasoprzestrzeń jest składnikiem dynamicznym, zależnym od parametrów znajdujących się w niej klasycznych układów.
Oprócz naukowych hipotez o powszechnej grawitacji istnieją również teorie bardzo odległe od współczesnej fizyki. Niestety, w ostatnich latach tego typu „opusy” po prostu zalały półki Internetu i księgarń. Niektórzy autorzy takich dzieł na ogół informują czytelnika, że grawitacja nie istnieje, a prawa Newtona i Einsteina są fikcją i mistyfikacją.
Przykładem są prace „naukowca” Nikołaja Lewaszowa, który twierdzi, że Newton nie odkrył prawa powszechnego ciążenia, a jedynie planety i nasz satelita Księżyc mają siłę grawitacyjną w Układzie Słonecznym. Ten „rosyjski naukowiec” podaje dość dziwne dowody. Jednym z nich jest lot amerykańskiej sondy NEAR Shoemaker do asteroidy Eros, który miał miejsce w 2000 roku. Lewaszow uważa brak przyciągania pomiędzy sondą a ciałem niebieskim za dowód na fałszywość prac Newtona i spisek fizyków ukrywających przed ludźmi prawdę o grawitacji.
W rzeczywistości statek kosmiczny pomyślnie zakończył swoją misję: najpierw wszedł na orbitę asteroidy, a następnie wykonał miękkie lądowanie na jej powierzchni.
Sztuczna grawitacja i dlaczego jest potrzebna
Z grawitacją wiążą się dwie koncepcje, które pomimo ich obecnego statusu teoretycznego są dobrze znane ogółowi społeczeństwa. Są to antygrawitacja i sztuczna grawitacja.
Antygrawitacja to proces przeciwdziałania sile przyciągania, który może ją znacznie zmniejszyć lub nawet zastąpić odpychaniem. Opanowanie takiej technologii doprowadziłoby do prawdziwej rewolucji w transporcie, lotnictwie, eksploracji kosmosu i radykalnie zmieniłoby całe nasze życie. Ale obecnie możliwość antygrawitacji nie ma nawet teoretycznego potwierdzenia. Co więcej, w oparciu o ogólną teorię względności takie zjawisko w ogóle nie jest możliwe, ponieważ w naszym Wszechświecie nie może być masy ujemnej. Możliwe, że w przyszłości dowiemy się więcej o grawitacji i nauczymy się budować samoloty w oparciu o tę zasadę.
Sztuczna grawitacja to spowodowana przez człowieka zmiana istniejącej siły grawitacji. Dziś tak naprawdę nie potrzebujemy takiej technologii, ale sytuacja na pewno ulegnie zmianie po rozpoczęciu długoterminowych podróży kosmicznych. Chodzi o naszą fizjologię. Organizm ludzki „przyzwyczajony” przez miliony lat ewolucji do stałej grawitacji Ziemi, skutki obniżonej grawitacji odbiera wyjątkowo negatywnie. Długi pobyt nawet w warunkach grawitacji księżycowej (sześciokrotnie słabszej od ziemskiej) może prowadzić do opłakanych konsekwencji. Iluzję przyciągania można stworzyć za pomocą innych sił fizycznych, takich jak bezwładność. Jednak takie opcje są złożone i drogie. Na chwilę obecną sztuczna grawitacja nie ma nawet uzasadnienia teoretycznego, oczywiste jest, że jej ewentualne praktyczne wdrożenie jest kwestią bardzo odległej przyszłości.
Grawitacja to pojęcie znane każdemu od czasów szkolnych. Wydawałoby się, że naukowcy powinni byli dokładnie zbadać to zjawisko! Jednak grawitacja pozostaje najgłębszą tajemnicą współczesnej nauki. Można to nazwać doskonałym przykładem tego, jak ograniczona jest ludzka wiedza na temat naszego ogromnego i wspaniałego świata.
Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w komentarzach pod artykułem. My lub nasi goście chętnie na nie odpowiemy
W naturze istnieją różne siły charakteryzujące interakcję ciał. Rozważmy siły występujące w mechanice.
Siły grawitacyjne. Prawdopodobnie pierwszą siłą, o której istnieniu człowiek uświadomił sobie, była siła grawitacji działająca na ciała ziemskie.
I zajęło ludziom wiele stuleci zrozumienie, że siła grawitacji działa między dowolnymi ciałami. I zajęło ludziom wiele stuleci zrozumienie, że siła grawitacji działa między dowolnymi ciałami. Angielski fizyk Newton jako pierwszy zrozumiał ten fakt. Analizując prawa rządzące ruchem planet (prawa Keplera) doszedł do wniosku, że zaobserwowane prawa ruchu planet mogą być spełnione tylko wtedy, gdy istnieje między nimi siła przyciągania, wprost proporcjonalna do ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadrat odległości między nimi.
sformułowane przez Newtona prawo powszechnego ciążenia. Dowolne dwa ciała przyciągają się. Siła przyciągania pomiędzy ciałami punktowymi skierowana jest wzdłuż łączącej je linii prostej, jest wprost proporcjonalna do mas obu i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi:
W tym przypadku przez ciała punktowe rozumie się ciała, których wymiary są wielokrotnie mniejsze niż odległość między nimi.
Siły powszechnej grawitacji nazywane są siłami grawitacyjnymi. Współczynnik proporcjonalności G nazywany jest stałą grawitacji. Jego wartość wyznaczono eksperymentalnie: G = 6,7 10¯¹¹ Nm²/kg².
Powaga działanie w pobliżu powierzchni Ziemi jest skierowane w stronę jej środka i oblicza się ze wzoru:
gdzie g jest przyspieszeniem ziemskim (g = 9,8 m/s²).
Rola grawitacji w żywej przyrodzie jest bardzo znacząca, ponieważ wielkość, kształt i proporcje żywych istot w dużej mierze zależą od jej wielkości.
Masy ciała. Zastanówmy się, co się stanie, gdy jakieś obciążenie zostanie umieszczone na płaszczyźnie poziomej (podporze). W pierwszej chwili po opuszczeniu ładunku zaczyna on poruszać się w dół pod wpływem siły ciężkości (rys. 8).
Płaszczyzna ugina się i pojawia się siła sprężystości (reakcja podporowa) skierowana w górę. Gdy siła sprężystości (Fу) zrównoważy siłę ciężkości, opuszczanie korpusu i ugięcie podpory ustanie.
Odchylenie podpory powstało pod działaniem ciała, dlatego na podporę z boku ciała działa pewna siła (P), zwana ciężarem ciała (ryc. 8, b). Zgodnie z trzecim prawem Newtona ciężar ciała jest równy sile reakcji podłoża i jest skierowany w przeciwnym kierunku.
P = - Fу = Fciężki.
Masy ciała nazywa się siłą P, z jaką ciało działa na poziomą podporę, która jest względem niego nieruchoma.
Ponieważ na podporę działa siła ciężkości (ciężar), ulega ona odkształceniu i dzięki swojej elastyczności przeciwdziała sile ciężkości. Siły powstałe w tym przypadku od strony podpory nazywane są siłami reakcji podporowej, a samo zjawisko rozwoju przeciwdziałania nazywa się reakcją podporową. Zgodnie z trzecim prawem Newtona siła reakcji podpory jest równa sile ciężkości ciała i ma przeciwny kierunek.
Jeżeli osoba na podporze porusza się z przyspieszeniem części ciała skierowanych od podpory, to siła reakcji podpory zwiększa się o wielkość ma, gdzie m jest masą osoby, a jest przyspieszeniem, z jakim części jego ciała się poruszają. Te efekty dynamiczne można rejestrować za pomocą urządzeń tensometrycznych (dynamogramów).
Masy ciała nie należy mylić z masą ciała. Masa ciała charakteryzuje jego właściwości bezwładności i nie zależy ani od siły ciężkości, ani od przyspieszenia, z jakim się porusza.
Ciężar ciała charakteryzuje siłę, z jaką działa ono na podporę i zależy zarówno od siły ciężkości, jak i przyspieszenia ruchu.
Przykładowo na Księżycu masa ciała jest około 6 razy mniejsza niż masa ciała na Ziemi.Masa w obu przypadkach jest taka sama i zależy od ilości materii w tym ciele.
W życiu codziennym, technologii i sporcie wagę często podaje się nie w niutonach (N), ale w kilogramach siły (kgf). Przejście z jednej jednostki na drugą odbywa się według wzoru: 1 kgf = 9,8 N.
Gdy podpora i ciało są nieruchome, wówczas masa ciała jest równa ciężarowi tego ciała. Kiedy podpora i ciało poruszają się z pewnym przyspieszeniem, wówczas w zależności od kierunku, ciało może doświadczyć nieważkości lub przeciążenia. Gdy przyspieszenie jest zgodne w kierunku i jest równe przyspieszeniu grawitacyjnemu, ciężar ciała będzie wynosić zero, w związku z czym powstaje stan nieważkości (ISS, szybka winda podczas opuszczania). Kiedy przyspieszenie ruchu podporowego jest przeciwne do przyspieszenia swobodnego spadania, osoba doświadcza przeciążenia (wystrzelenie załogowego statku kosmicznego z powierzchni Ziemi, szybka winda wznosząca się w górę).
Grawitacja, znana również jako przyciąganie lub grawitacja, jest uniwersalną właściwością materii, którą posiadają wszystkie obiekty i ciała we Wszechświecie. Istota grawitacji polega na tym, że wszystkie ciała materialne przyciągają wszystkie inne ciała wokół siebie.
Grawitacja Ziemi
Jeśli grawitacja jest ogólnym pojęciem i cechą, którą posiadają wszystkie obiekty we Wszechświecie, to grawitacja jest szczególnym przypadkiem tego wszechstronnego zjawiska. Ziemia przyciąga do siebie wszystkie znajdujące się na niej obiekty materialne. Dzięki temu ludzie i zwierzęta mogą bezpiecznie poruszać się po ziemi, rzeki, morza i oceany mogą pozostać w obrębie swoich brzegów, a powietrze nie może przelatywać przez rozległe przestrzenie kosmiczne, ale tworzyć atmosferę naszej planety.
Powstaje uczciwe pytanie: jeśli wszystkie obiekty mają grawitację, dlaczego Ziemia przyciąga do siebie ludzi i zwierzęta, a nie odwrotnie? Po pierwsze, przyciągamy do siebie także Ziemię, tyle że w porównaniu z jej siłą przyciągania nasza grawitacja jest znikoma. Po drugie, siła ciężkości zależy bezpośrednio od masy ciała: im mniejsza masa ciała, tym mniejsze są jego siły grawitacyjne.
Drugim wskaźnikiem, od którego zależy siła przyciągania, jest odległość między obiektami: im większa odległość, tym mniejszy wpływ grawitacji. Dzięki temu planety poruszają się po swoich orbitach i nie spadają na siebie.
Warto zauważyć, że Ziemia, Księżyc, Słońce i inne planety swój kulisty kształt zawdzięczają właśnie sile grawitacji. Działa w kierunku centrum, przyciągając do siebie substancję tworzącą „ciało” planety.
Pole grawitacyjne Ziemi
Pole grawitacyjne Ziemi to pole energii sił, które powstaje wokół naszej planety w wyniku działania dwóch sił:
- powaga;
- siła odśrodkowa, która swój wygląd zawdzięcza obrotowi Ziemi wokół własnej osi (rotacja dobowa).
Ponieważ zarówno grawitacja, jak i siła odśrodkowa działają stale, pole grawitacyjne jest zjawiskiem stałym.
Na pole w niewielkim stopniu wpływają siły grawitacyjne Słońca, Księżyca i niektórych innych ciał niebieskich, a także masy atmosferyczne Ziemi.
Prawo powszechnego ciążenia i Sir Izaak Newton
Angielski fizyk, Sir Isaac Newton, według słynnej legendy, pewnego dnia przechadzając się po ogrodzie, ujrzał na niebie Księżyc. W tej samej chwili z gałęzi spadło jabłko. Newton badał wówczas prawo ruchu i wiedział, że jabłko spada pod wpływem pola grawitacyjnego, a Księżyc obraca się po orbicie wokół Ziemi.
I wtedy genialny naukowiec, oświecony wglądem, wpadł na pomysł, że być może jabłko spadnie na ziemię, posłuszne tej samej sile, dzięki której Księżyc znajduje się na swojej orbicie, a nie pędząc przypadkowo po galaktyce. W ten sposób odkryto prawo powszechnego ciążenia, zwane także Trzecim Prawem Newtona.
W języku wzorów matematycznych prawo to wygląda następująco:
F=GMm/D 2 ,
Gdzie F- siła wzajemnego ciążenia pomiędzy dwoma ciałami;
M- masa pierwszego ciała;
M- masa drugiego ciała;
D2- odległość między dwoma ciałami;
G- stała grawitacyjna równa 6,67x10 -11.
Najpierw wyobraźmy sobie Ziemię jako nieruchomą kulę (ryc. 3.1, a). Siłę grawitacji F pomiędzy Ziemią (masa M) a obiektem (masa m) określa się ze wzoru: F=Gmm/obr. 2
gdzie r jest promieniem Ziemi. Stała G jest tzw uniwersalna stała grawitacyjna i niezwykle mały. Gdy r jest stałe, siła F jest stała. M. Przyciąganie ciała o masie m przez Ziemię wyznacza masę tego ciała: W = mg Porównanie równań daje: g = const = GM/r 2.
Przyciąganie ciała o masie m przez Ziemię powoduje jego opadanie „w dół” z przyspieszeniem g, które jest stałe we wszystkich punktach A, B, C i w każdym miejscu na powierzchni Ziemi (rys. 3.1,6).
Wykres siły swobodnego ciała pokazuje również, że na Ziemię działa siła pochodząca od ciała o masie m, która jest skierowana przeciwnie do siły działającej na ciało z Ziemi. Jednakże masa M Ziemi jest na tyle duża, że przyspieszenie Ziemi „w górę” a, obliczone ze wzoru F = Ma, jest nieistotne i można je pominąć. Ziemia ma kształt inny niż kulisty: promień na biegunie r r jest mniejszy niż promień na równiku r e. Oznacza to, że siła przyciągania ciała o masie m na biegunie F p =GMm/r 2 p jest większa niż na równiku F e = GMm/r e . Dlatego przyspieszenie swobodnego spadania g p na biegunie jest większe niż przyspieszenie swobodnego spadania g e na równiku. Przyspieszenie g zmienia się wraz z szerokością geograficzną zgodnie ze zmianą promienia Ziemi.
Jak wiadomo, Ziemia jest w ciągłym ruchu. Obraca się wokół własnej osi, wykonując jeden obrót dziennie, i porusza się po orbicie wokół Słońca z rocznym obrotem. Dla uproszczenia, przyjmując Ziemię jako jednorodną kulę, rozważmy ruch ciał o masie m na biegunie A i na równiku C (ryc. 3.2). W ciągu jednego dnia ciało w punkcie A obraca się o 360° pozostając w miejscu, natomiast ciało w punkcie C pokonuje drogę 2l. Aby ciało znajdujące się w punkcie C poruszało się po orbicie kołowej, potrzebna jest pewna siła. Jest to siła dośrodkowa, którą określa się wzorem mv 2 /r, gdzie v jest prędkością ciała na orbicie. Siła przyciągania grawitacyjnego działająca na ciało znajdujące się w punkcie C, F = GMm/r, powinna:
a) zapewnić ruch ciała po okręgu;
b) przyciągnąć ciało do Ziemi.
Zatem F = (mv 2 /r) + mg na równiku i F = mg na biegunie. Oznacza to, że g zmienia się wraz z szerokością geograficzną, gdy promień orbity zmienia się od r w punkcie C do zera w punkcie A.
Ciekawe jest wyobrażenie sobie, co by się stało, gdyby prędkość obrotu Ziemi wzrosła tak bardzo, że siła dośrodkowa działająca na ciało na równiku stałaby się równa sile grawitacji, tj. mv 2 /r = F = GMm/r 2. Całkowita siła grawitacji zostałaby wykorzystana wyłącznie do utrzymania ciała w punkcie C na orbicie kołowej i nie pozostałaby żadna siła działająca na powierzchnię Ziemi. Jakikolwiek dalszy wzrost prędkości obrotowej Ziemi umożliwiłby ciału „odlot” w przestrzeń kosmiczną. Jednocześnie, jeśli statek kosmiczny z astronautami na pokładzie zostanie wystrzelony na wysokość R nad środkiem Ziemi z prędkością v taką, że spełniona jest równość mv*/R=F = GMm/R 2, to statek ten będzie obracają się wokół Ziemi w stanie nieważkości.
Dokładne pomiary przyspieszenia ziemskiego g pokazują, że g zmienia się wraz z szerokością geograficzną, jak pokazano w tabeli 3.1. Wynika z tego, że ciężar pewnego ciała zmienia się nad powierzchnią Ziemi od maksimum na 90° szerokości geograficznej do minimum na 0° szerokości geograficznej.
Na tym poziomie szkolenia zwykle pomija się niewielkie zmiany przyspieszenia g i przyjmuje się średnią wartość 9,81 m-s2. Dla uproszczenia obliczeń, przyspieszenie g często przyjmuje się jako najbliższą liczbę całkowitą, tj. 10 m-s - 2, a zatem siłę przyciągania działającą od Ziemi na ciało o masie 1 kg, czyli masę, przyjmuje się jako 10 N. Większość komisji egzaminacyjnych sugeruje stosując g=10 m-s - 2 lub 10 N-kg -1 dla zdających w celu uproszczenia obliczeń.
Nie jest tajemnicą, że prawo powszechnego ciążenia odkrył wielki angielski naukowiec Izaak Newton, który według legendy przechadzał się po wieczornym ogrodzie i rozmyślał o problemach fizyki. W tym momencie z drzewa spadło jabłko (według jednej wersji bezpośrednio na głowę fizyka, według innej po prostu spadło), które później stało się słynnym jabłkiem Newtona, gdyż doprowadziło naukowca do wglądu, eureki. Jabłko, które spadło na głowę Newtona, zainspirowało go do odkrycia prawa powszechnego ciążenia, ponieważ Księżyc na nocnym niebie pozostawał nieruchomy, a jabłko spadło, być może naukowiec pomyślał, że na Księżyc działa jakaś siła (powodująca jego obrót orbitę), więc na jabłko, powodując jego upadek na ziemię.
Zdaniem niektórych historyków nauki cała ta historia o jabłku jest tylko piękną fikcją. Tak naprawdę to, czy jabłko spadło, czy nie, nie jest aż tak istotne, ważne, że naukowiec rzeczywiście odkrył i sformułował prawo powszechnego ciążenia, które jest obecnie jednym z kamieni węgielnych zarówno fizyki, jak i astronomii.
Oczywiście na długo przed Newtonem ludzie obserwowali zarówno spadające na ziemię rzeczy, jak i gwiazdy na niebie, jednak przed nim wierzyli, że istnieją dwa rodzaje grawitacji: ziemska (działająca wyłącznie wewnątrz Ziemi, powodując upadek ciał) i niebieska ( działające na gwiazdy i księżyc). Newton jako pierwszy połączył w głowie te dwa rodzaje grawitacji, jako pierwszy zrozumiał, że istnieje tylko jedna grawitacja, a jej działanie można opisać uniwersalnym prawem fizycznym.
Definicja prawa powszechnego ciążenia
Zgodnie z tym prawem wszystkie ciała materialne przyciągają się nawzajem, a siła przyciągania nie zależy od właściwości fizycznych lub chemicznych ciał. Zależy to, jeśli wszystko zostanie maksymalnie uproszczone, tylko od ciężaru ciał i odległości między nimi. Trzeba też dodatkowo wziąć pod uwagę fakt, że na wszystkie ciała na Ziemi oddziałuje siła grawitacyjna samej naszej planety, która nazywa się grawitacją (z łaciny słowo „gravitas” tłumaczone jest jako ciężkość).
Spróbujmy teraz jak najkrócej sformułować i zapisać prawo powszechnego ciążenia: siła przyciągania pomiędzy dwoma ciałami o masach m1 i m2 oddalonymi od siebie o odległość R jest wprost proporcjonalna do obu mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległość między nimi.
Wzór na prawo powszechnego ciążenia
Poniżej przedstawiamy Państwu wzór prawa powszechnego ciążenia.
G w tym wzorze jest stałą grawitacji równą 6,67408(31) 10 −11, jest to wielkość wpływu siły grawitacyjnej naszej planety na dowolny obiekt materialny.
Prawo powszechnego ciążenia i nieważkości ciał
Odkryte przez Newtona prawo powszechnego ciążenia, a także towarzyszący mu aparat matematyczny, stały się później podstawą mechaniki niebieskiej i astronomii, ponieważ za jego pomocą można wyjaśnić naturę ruchu ciał niebieskich, a także zjawisko nieważkości. Będąc w przestrzeni kosmicznej w znacznej odległości od siły przyciągania i grawitacji tak dużego ciała jak planeta, każdy obiekt materialny (na przykład statek kosmiczny z astronautami na pokładzie) znajdzie się w stanie nieważkości, ponieważ siła wpływu grawitacyjnego Ziemi (G we wzorze na prawo grawitacji) lub innej planety nie będzie już na nią oddziaływać.
Prawo powszechnego ciążenia, wideo
I na zakończenie pouczający film o odkryciu prawa powszechnego ciążenia.
