Gravitația este cea mai puternică forță din Univers, unul dintre cele patru principii fundamentale ale universului, care determină structura acestuia. Odată, datorită ei, au apărut planete, stele și galaxii întregi. Astăzi menține Pământul pe orbită în călătoria sa nesfârșită în jurul Soarelui.
Atracția este, de asemenea, de mare importanță pentru viața de zi cu zi a unei persoane. Datorită acestei forțe invizibile, oceanele lumii noastre pulsează, râurile curg, iar picăturile de ploaie cad pe pământ. Încă din copilărie, simțim greutatea corpului nostru și a obiectelor din jur. Influența gravitației asupra activităților noastre economice este, de asemenea, enormă.
Prima teorie a gravitației a fost creată de Isaac Newton la sfârșitul secolului al XVII-lea. Legea sa a gravitației universale descrie această interacțiune în cadrul mecanicii clasice. Acest fenomen a fost descris mai pe larg de Einstein în teoria sa generală a relativității, care a fost publicată la începutul secolului trecut. Procesele care au loc cu forța gravitațională la nivelul particulelor elementare ar trebui explicate prin teoria cuantică a gravitației, dar nu a fost încă creată.
Știm mult mai multe despre natura gravitației astăzi decât știam pe vremea lui Newton, dar în ciuda secolelor de studiu, ea rămâne încă o adevărată piatră de poticnire pentru fizica modernă. Există multe puncte goale în teoria gravitațională existentă și încă nu înțelegem exact ce o generează și cum este transferată această interacțiune. Și, desigur, suntem foarte departe de a putea controla forța gravitației, așa că antigravitația sau levitația vor exista multă vreme doar pe paginile romanelor științifico-fantastice.
Ce i-a căzut pe capul lui Newton?
Oamenii s-au întrebat întotdeauna despre natura forței care atrage obiectele pe pământ, dar abia în secolul al XVII-lea Isaac Newton a reușit să ridice vălul misterului. Baza descoperirii sale a fost pusă de lucrările lui Kepler și Galileo, oameni de știință străluciți care au studiat mișcările corpurilor cerești.
Chiar și cu un secol și jumătate înainte de Legea gravitației universale a lui Newton, astronomul polonez Copernic credea că atracția nu este „... nimic mai mult decât o dorință naturală cu care părintele Universului a înzestrat toate particulele, și anume de a se uni într-un întreg comun, formând corpuri sferice.” Descartes considera atracția ca fiind o consecință a tulburărilor din eterul lumii. Filosoful și omul de știință grec Aristotel era sigur că masa afectează viteza de cădere a corpurilor. Și doar Galileo Galilei la sfârșitul secolului al XVI-lea a dovedit că acest lucru nu era adevărat: dacă nu există rezistență aerului, toate obiectele accelerează în mod egal.
Spre deosebire de legenda populară a capului și a mărului, lui Newton i-a luat mai mult de douăzeci de ani să înțeleagă natura gravitației. Legea sa gravitației este una dintre cele mai semnificative descoperiri științifice din toate timpurile. Este universal și vă permite să calculați traiectoriile corpurilor cerești și să descrieți cu exactitate comportamentul obiectelor din jurul nostru. Teoria clasică a gravitației a pus bazele mecanicii cerești. Cele trei legi ale lui Newton le-au oferit oamenilor de știință oportunitatea de a descoperi noi planete literalmente „în vârful condeiului”; în cele din urmă, datorită lor, omul a reușit să depășească gravitația Pământului și să zboare în spațiu. Ei au adus o bază științifică strictă conceptului filozofic al unității materiale a universului, în care toate fenomenele naturale sunt interconectate și guvernate de reguli fizice generale.
Newton nu numai că a publicat o formulă care permite cuiva să calculeze forța care atrage corpurile unul către celălalt, el a creat un model complet, care a inclus și analiză matematică. Aceste concluzii teoretice au fost confirmate în mod repetat în practică, inclusiv prin utilizarea celor mai moderne metode.
În teoria newtoniană, orice obiect material generează un câmp atractiv, care se numește gravitațional. În plus, forța este proporțională cu masa ambelor corpuri și invers proporțională cu distanța dintre ele:
F = (G m1 m2)/r2
G este constanta gravitațională, care este egală cu 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Henry Cavendish a fost primul care a calculat-o în 1798.
În viața de zi cu zi și în disciplinele aplicate, se vorbește despre forța cu care pământul atrage un corp drept greutatea lui. Atracția dintre oricare două obiecte materiale din Univers este ceea ce este gravitația în cuvinte simple.
Forța gravitației este cea mai slabă dintre cele patru interacțiuni fundamentale ale fizicii, dar datorită proprietăților sale este capabilă să regleze mișcarea sistemelor stelare și a galaxiilor:
- Atracția funcționează la orice distanță, aceasta este principala diferență dintre gravitație și interacțiuni nucleare puternice și slabe. Pe măsură ce distanța crește, efectul ei scade, dar nu devine niciodată egal cu zero, așa că putem spune că chiar și doi atomi aflați la capete diferite ale galaxiei au o influență reciprocă. Este doar foarte mic;
- Gravitația este universală. Câmpul de atracție este inerent oricărui corp material. Oamenii de știință nu au descoperit încă un obiect pe planeta noastră sau în spațiu care să nu participe la acest tip de interacțiune, așa că rolul gravitației în viața Universului este enorm. Aceasta distinge gravitația de interacțiunea electromagnetică, a cărei influență asupra proceselor cosmice este minimă, deoarece în natură majoritatea corpurilor sunt neutre din punct de vedere electric. Forțele gravitaționale nu pot fi limitate sau protejate;
- Gravitația acționează nu numai asupra materiei, ci și asupra energiei. Pentru el, compoziția chimică a obiectelor nu contează, contează doar masa lor.
Folosind formula lui Newton, forța de atracție poate fi ușor calculată. De exemplu, gravitația pe Lună este de câteva ori mai mică decât cea de pe Pământ, deoarece satelitul nostru are o masă relativ mică. Dar este suficient pentru a forma fluxuri și refluxuri regulate în Oceanul Mondial. Pe Pământ, accelerația datorată gravitației este de aproximativ 9,81 m/s2. Mai mult, la poli este puțin mai mare decât la ecuator.
În ciuda importanței lor enorme pentru dezvoltarea ulterioară a științei, legile lui Newton aveau o serie de slăbiciuni care bântuiau cercetătorii. Nu era clar cum acționează gravitația prin spațiu absolut gol pe distanțe mari și cu o viteză de neînțeles. În plus, treptat au început să se acumuleze date care contrazic legile lui Newton: de exemplu, paradoxul gravitațional sau deplasarea periheliului lui Mercur. A devenit evident că teoria gravitației universale necesită îmbunătățiri. Această onoare i-a revenit genialului fizician german Albert Einstein.
Atractia si teoria relativitatii
Refuzul lui Newton de a discuta despre natura gravitației („Nu inventez nicio ipoteză”) a fost o slăbiciune evidentă a conceptului său. Nu este de mirare că multe teorii ale gravitației au apărut în anii următori.
Majoritatea lor aparțineau așa-numitelor modele hidrodinamice, care încercau să fundamenteze apariția gravitației prin interacțiunea mecanică a obiectelor materiale cu o substanță intermediară având anumite proprietăți. Cercetătorii l-au numit diferit: „vid”, „eter”, „flux graviton”, etc. În acest caz, forța de atracție dintre corpuri a apărut ca urmare a modificărilor acestei substanțe, atunci când a fost absorbită de obiecte sau de curgeri protejate. În realitate, toate astfel de teorii aveau un dezavantaj serios: prezicând destul de precis dependența forței gravitaționale de distanță, ar fi trebuit să ducă la decelerația corpurilor care se mișcau în raport cu „eterul” sau „fluxul gravitonului”.
Einstein a abordat această problemă dintr-un unghi diferit. În teoria sa generală a relativității (GTR), gravitația este privită nu ca o interacțiune a forțelor, ci ca o proprietate a spațiului-timp în sine. Orice obiect care are masă îl face să se îndoaie, ceea ce provoacă atracție. În acest caz, gravitația este un efect geometric care este considerat în cadrul geometriei non-euclidiene.
Pur și simplu, continuumul spațiu-timp afectează materia, provocând mișcarea acesteia. Și ea, la rândul său, influențează spațiul, „spunându-i” cum să se îndoaie.
Forțele atractive acționează și în microcosmos, dar la nivelul particulelor elementare influența lor, în comparație cu interacțiunea electrostatică, este neglijabilă. Fizicienii cred că interacțiunea gravitațională nu a fost inferioară altora în primele momente (10 -43 de secunde) după Big Bang.
În prezent, conceptul de gravitație propus în teoria generală a relativității este principala ipoteză de lucru acceptată de majoritatea comunității științifice și confirmată de rezultatele a numeroase experimente.
Einstein în lucrarea sa a prevăzut efectele uimitoare ale forțelor gravitaționale, dintre care majoritatea au fost deja confirmate. De exemplu, capacitatea corpurilor masive de a curba razele de lumină și chiar de a încetini curgerea timpului. Acest din urmă fenomen trebuie luat în considerare la operarea sistemelor globale de navigație prin satelit precum GLONASS și GPS, altfel după câteva zile eroarea lor ar fi de zeci de kilometri.
În plus, o consecință a teoriei lui Einstein sunt așa-numitele efecte subtile ale gravitației, cum ar fi câmpul gravimagnetic și tracțiunea cadrelor de referință inerțiale (cunoscut și sub numele de efectul Lense-Thirring). Aceste manifestări ale gravitației sunt atât de slabe încât nu au putut fi detectate mult timp. Abia în 2005, datorită misiunii unice a NASA Gravity Probe B, efectul Lense-Thirring a fost confirmat.
Radiația gravitațională sau cea mai fundamentală descoperire din ultimii ani
Undele gravitaționale sunt vibrații ale structurii geometrice spațiu-timp care se deplasează cu viteza luminii. Existența acestui fenomen a fost prezisă și de Einstein în Relativitatea Generală, dar din cauza slăbiciunii forței gravitaționale, magnitudinea sa este foarte mică, așa că nu a putut fi detectată mult timp. Doar dovezile indirecte au susținut existența radiațiilor.
Unde similare sunt generate de orice obiecte materiale care se deplasează cu accelerație asimetrică. Oamenii de știință le descriu drept „unduri în spațiu-timp”. Cele mai puternice surse de astfel de radiații sunt galaxiile care se ciocnesc și sistemele care se prăbușesc formate din două obiecte. Un exemplu tipic al acestui din urmă caz este fuziunea găurilor negre sau a stelelor neutronice. În timpul unor astfel de procese, radiația gravitațională poate transfera mai mult de 50% din masa totală a sistemului.
Undele gravitaționale au fost descoperite pentru prima dată în 2015 de două observatoare LIGO. Aproape imediat, acest eveniment a primit statutul de cea mai mare descoperire în fizică din ultimele decenii. În 2017, a fost distins cu Premiul Nobel. După aceasta, oamenii de știință au reușit să detecteze radiația gravitațională de mai multe ori.
În anii 70 ai secolului trecut - cu mult înainte de confirmarea experimentală - oamenii de știință au propus utilizarea radiației gravitaționale pentru comunicarea la distanță lungă. Avantajul său neîndoielnic este capacitatea sa ridicată de a trece prin orice substanță fără a fi absorbită. Dar în prezent acest lucru este greu de posibil, deoarece există dificultăți enorme în generarea și recepția acestor unde. Și încă nu avem suficiente cunoștințe reale despre natura gravitației.
Astăzi, mai multe instalații similare cu LIGO funcționează în diferite țări ale lumii și se construiesc altele noi. Este probabil să învățăm mai multe despre radiația gravitațională în viitorul apropiat.
Teorii alternative ale gravitației universale și motivele creării lor
În prezent, conceptul dominant de gravitație este relativitatea generală. Întreaga gamă existentă de date și observații experimentale este în concordanță cu aceasta. În același timp, are un număr mare de slăbiciuni evidente și probleme controversate, așa că încercările de a crea noi modele care să explice natura gravitației nu se opresc.
Toate teoriile gravitației universale dezvoltate până în prezent pot fi împărțite în mai multe grupuri principale:
- standard;
- alternativă;
- cuantic;
- teoria câmpului unificat.
Încercările de a crea un nou concept de gravitație universală au fost făcute încă din secolul al XIX-lea. Diverși autori au inclus în ea eterul sau teoria corpusculară a luminii. Dar apariția Relativității Generale a pus capăt acestor cercetări. După publicarea sa, obiectivul oamenilor de știință s-a schimbat - acum eforturile lor au vizat îmbunătățirea modelului lui Einstein, inclusiv noi fenomene naturale în el: rotația particulelor, expansiunea Universului etc.
Până la începutul anilor 1980, fizicienii au respins experimental toate conceptele, cu excepția celor care includeau relativitatea generală ca parte integrantă. În acest moment, „teoriile corzilor” au intrat în modă, arătând foarte promițătoare. Dar aceste ipoteze nu au fost niciodată confirmate experimental. În ultimele decenii, știința a atins cote semnificative și a acumulat o cantitate imensă de date empirice. Astăzi, încercările de a crea teorii alternative ale gravitației sunt inspirate în principal din cercetările cosmologice legate de concepte precum „materie întunecată”, „inflație”, „energie întunecată”.
Una dintre sarcinile principale ale fizicii moderne este unificarea a două direcții fundamentale: teoria cuantică și relativitatea generală. Oamenii de știință încearcă să conecteze atracția cu alte tipuri de interacțiuni, creând astfel o „teorie a tuturor”. Este exact ceea ce face gravitația cuantică - o ramură a fizicii care încearcă să ofere o descriere cuantică a interacțiunilor gravitaționale. O ramură a acestei direcții este teoria gravitației buclei.
În ciuda eforturilor active și de mulți ani, acest obiectiv nu a fost încă atins. Și nici măcar nu este complexitatea acestei probleme: doar că teoria cuantică și relativitatea generală se bazează pe paradigme complet diferite. Mecanica cuantică se ocupă de sistemele fizice care funcționează pe fundalul spațiu-timp obișnuit. Și în teoria relativității, spațiu-timp însuși este o componentă dinamică, în funcție de parametrii sistemelor clasice localizate în acesta.
Alături de ipotezele științifice ale gravitației universale, există și teorii care sunt foarte departe de fizica modernă. Din păcate, în ultimii ani, astfel de „opuse” au inundat pur și simplu internetul și rafturile librăriilor. Unii autori ai unor astfel de lucrări informează, în general, cititorul că gravitația nu există, iar legile lui Newton și Einstein sunt ficțiuni și farse.
Un exemplu sunt lucrările „omului de știință” Nikolai Levashov, care susțin că Newton nu a descoperit legea gravitației universale, iar doar planetele și satelitul nostru, Luna, au forță gravitațională în sistemul solar. Acest „om de știință rus” oferă dovezi destul de ciudate. Unul dintre ele este zborul sondei americane NEAR Shoemaker către asteroidul Eros, care a avut loc în 2000. Levashov consideră că lipsa de atracție dintre sondă și corpul ceresc este o dovadă a falsității lucrărilor lui Newton și a conspirației fizicienilor care ascund adevărul despre gravitație de oameni.
De fapt, nava spațială și-a încheiat cu succes misiunea: mai întâi a intrat pe orbita asteroidului, apoi a aterizat ușor pe suprafața sa.
Gravitația artificială și de ce este necesară
Există două concepte asociate gravitației care, în ciuda statutului lor teoretic actual, sunt bine cunoscute publicului larg. Acestea sunt antigravitația și gravitația artificială.
Antigravitația este un proces de contracarare a forței de atracție, care o poate reduce semnificativ sau chiar o poate înlocui cu repulsie. Stăpânirea unei astfel de tehnologii ar duce la o adevărată revoluție în transporturi, aviație, explorarea spațiului și ne-ar schimba radical întreaga viață. Dar în prezent, posibilitatea antigravitației nu are nici măcar confirmare teoretică. Mai mult, pe baza relativității generale, un astfel de fenomen nu este deloc fezabil, deoarece nu poate exista masă negativă în Universul nostru. Este posibil ca în viitor să învățăm mai multe despre gravitație și să învățăm să construim aeronave pe baza acestui principiu.
Gravitația artificială este o schimbare produsă de om în forța gravitațională existentă. Astăzi nu prea avem nevoie de o astfel de tehnologie, dar situația se va schimba cu siguranță după începerea călătoriilor spațiale pe termen lung. Iar ideea este în fiziologia noastră. Corpul uman, „obișnuit” de-a lungul a milioane de ani de evoluție cu gravitația constantă a Pământului, percepe efectele gravitației reduse extrem de negativ. O ședere lungă chiar și în condiții de gravitație lunară (de șase ori mai slabă decât cea a Pământului) poate duce la consecințe groaznice. Iluzia atracției poate fi creată folosind alte forțe fizice, cum ar fi inerția. Cu toate acestea, astfel de opțiuni sunt complexe și costisitoare. În acest moment, gravitația artificială nu are nici măcar justificare teoretică; este evident că posibila sa implementare practică este o chestiune de viitor foarte îndepărtat.
Gravitația este un concept cunoscut de toată lumea încă de la școală. S-ar părea că oamenii de știință ar fi trebuit să investigheze temeinic acest fenomen! Dar gravitația rămâne cel mai profund mister pentru știința modernă. Și acesta poate fi numit un exemplu excelent al cât de limitate sunt cunoștințele umane despre lumea noastră uriașă și minunată.
Dacă aveți întrebări, lăsați-le în comentariile de sub articol. Noi sau vizitatorii noștri vom fi bucuroși să le răspundem
În natură, există diverse forțe care caracterizează interacțiunea corpurilor. Să luăm în considerare forțele care apar în mecanică.
Forțele gravitaționale. Probabil că prima forță a cărei existență a realizat omul a fost forța gravitației care acționează asupra corpurilor de pe Pământ.
Și au fost nevoie de multe secole pentru ca oamenii să înțeleagă că forța gravitației acționează între orice corp. Și au fost nevoie de multe secole pentru ca oamenii să înțeleagă că forța gravitației acționează între orice corp. Fizicianul englez Newton a fost primul care a înțeles acest fapt. Analizând legile care guvernează mișcarea planetelor (legile lui Kepler), a ajuns la concluzia că legile observate ale mișcării planetelor pot fi îndeplinite numai dacă între ele există o forță de atracție, direct proporțională cu masele lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.
Newton a formulat legea gravitației universale. Oricare două corpuri se atrag unul pe celălalt. Forța de atracție dintre corpurile punctuale este direcționată de-a lungul dreptei care le leagă, este direct proporțională cu masele ambelor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele:
În acest caz, corpurile punctuale sunt înțelese ca corpuri ale căror dimensiuni sunt de multe ori mai mici decât distanța dintre ele.
Forțele gravitației universale se numesc forțe gravitaționale. Coeficientul de proporționalitate G se numește constantă gravitațională. Valoarea sa a fost determinată experimental: G = 6,7 10¯¹¹ N m²/kg².
Gravitatie care acționează în apropierea suprafeței Pământului este îndreptată spre centrul acestuia și se calculează prin formula:
unde g este accelerația gravitației (g = 9,8 m/s²).
Rolul gravitației în natura vie este foarte semnificativ, deoarece dimensiunea, forma și proporțiile ființelor vii depind în mare măsură de amploarea acesteia.
Greutate corporala. Să luăm în considerare ce se întâmplă atunci când o sarcină este plasată pe un plan orizontal (suport). În primul moment după ce sarcina este coborâtă, aceasta începe să se miște în jos sub influența gravitației (Fig. 8).
Planul se îndoaie și apare o forță elastică (reacție de sprijin) îndreptată în sus. După ce forța elastică (Fу) echilibrează forța gravitațională, coborârea corpului și deformarea suportului se vor opri.
Deformarea suportului a apărut sub acțiunea corpului, prin urmare, o anumită forță (P) acționează asupra suportului din partea laterală a corpului, care se numește greutatea corpului (Fig. 8, b). Conform celei de-a treia legi a lui Newton, greutatea unui corp este egală ca mărime cu forța de reacție a solului și este îndreptată în direcția opusă.
P = - Fу = Fheavy.
Greutate corporala se numeste forta P cu care un corp actioneaza pe un suport orizontal care este nemiscat fata de acesta.
Deoarece pe suport se aplică forța gravitației (greutatea), acesta se deformează și, datorită elasticității sale, contracarează forța gravitațională. Forțele dezvoltate în acest caz din partea suportului se numesc forțe de reacție de susținere, iar fenomenul însuși de dezvoltare a contraacțiunii se numește reacție de sprijin. Conform celei de-a treia legi a lui Newton, forța de reacție a suportului este egală ca mărime cu forța de gravitație a corpului și opusă ca direcție.
Dacă o persoană pe un suport se mișcă cu accelerația părților corpului său direcționate de pe suport, atunci forța de reacție a suportului crește cu cantitatea ma, unde m este masa persoanei și este accelerația cu care părți ale corpului lui se mișcă. Aceste efecte dinamice pot fi înregistrate cu ajutorul dispozitivelor de extensometru (dinamograme).
Greutatea nu trebuie confundată cu greutatea corporală. Masa unui corp își caracterizează proprietățile inerte și nu depinde nici de forța gravitațională, nici de accelerația cu care se mișcă.
Greutatea unui corp caracterizează forța cu care acționează asupra suportului și depinde atât de forța gravitațională, cât și de accelerația mișcării.
De exemplu, pe Lună greutatea unui corp este de aproximativ 6 ori mai mică decât greutatea unui corp de pe Pământ.Masa în ambele cazuri este aceeași și este determinată de cantitatea de materie din corp.
În viața de zi cu zi, tehnologie și sport, greutatea este adesea indicată nu în newtoni (N), ci în kilograme de forță (kgf). Trecerea de la o unitate la alta se realizează după formula: 1 kgf = 9,8 N.
Când suportul și corpul sunt nemișcate, atunci masa corpului este egală cu gravitația acestui corp. Când suportul și corpul se mișcă cu o oarecare accelerație, atunci, în funcție de direcția sa, corpul poate experimenta fie imponderabilitate, fie suprasolicitare. Când accelerația coincide în direcție și este egală cu accelerația gravitației, greutatea corpului va fi zero, de aceea apare o stare de imponderabilitate (ISS, lift de mare viteză la coborâre). Când accelerația mișcării de sprijin este opusă accelerației căderii libere, persoana experimentează o suprasarcină (lansarea unei nave spațiale cu echipaj de pe suprafața Pământului, un lift de mare viteză care se ridică în sus).
Gravitația, cunoscută și sub numele de atracție sau gravitație, este o proprietate universală a materiei pe care o posedă toate obiectele și corpurile din Univers. Esența gravitației este că toate corpurile materiale atrag toate celelalte corpuri din jurul lor.
Gravitația pământului
Dacă gravitația este un concept general și o calitate pe care o posedă toate obiectele din Univers, atunci gravitația este un caz special al acestui fenomen cuprinzător. Pământul atrage spre sine toate obiectele materiale aflate pe el. Datorită acestui fapt, oamenii și animalele se pot deplasa în siguranță pe pământ, râurile, mările și oceanele pot rămâne pe țărmurile lor, iar aerul nu poate zbura peste vastele întinderi ale spațiului, ci poate forma atmosfera planetei noastre.
Apare o întrebare corectă: dacă toate obiectele au gravitație, de ce Pământul atrage oamenii și animalele spre sine și nu invers? În primul rând, atragem și Pământul către noi, doar că, în comparație cu forța sa de atracție, gravitația noastră este neglijabilă. În al doilea rând, forța gravitației depinde direct de masa corpului: cu cât masa corpului este mai mică, cu atât forțele gravitaționale ale acestuia sunt mai mici.
Al doilea indicator de care depinde forța de atracție este distanța dintre obiecte: cu cât distanța este mai mare, cu atât efectul gravitației este mai mic. Datorită și acestui lucru, planetele se mișcă pe orbitele lor și nu cad una peste alta.
Este de remarcat faptul că Pământul, Luna, Soarele și alte planete își datorează forma sferică tocmai forței gravitației. Acționează în direcția centrului, trăgând spre el substanța care alcătuiește „corpul” planetei.
Câmpul gravitațional al Pământului
Câmpul gravitațional al Pământului este un câmp de energie de forță care se formează în jurul planetei noastre datorită acțiunii a două forțe:
- gravitatie;
- forță centrifugă, care își datorează aspectul rotației Pământului în jurul axei sale (rotația diurnă).
Deoarece atât gravitația, cât și forța centrifugă acționează constant, câmpul gravitațional este un fenomen constant.
Câmpul este ușor afectat de forțele gravitaționale ale Soarelui, Lunii și a altor corpuri cerești, precum și de masele atmosferice ale Pământului.
Legea gravitației universale și Sir Isaac Newton
Fizicianul englez, Sir Isaac Newton, conform unei celebre legende, într-o zi, în timp ce se plimba în grădină în timpul zilei, a văzut Luna pe cer. În același timp, un măr a căzut din ramură. Newton studia atunci legea mișcării și știa că un măr cade sub influența unui câmp gravitațional, iar Luna se rotește pe orbită în jurul Pământului.
Și apoi genialul om de știință, luminat de perspicacitate, a venit cu ideea că poate mărul cade la pământ, supunând aceleiași forțe datorită căreia Luna se află pe orbita sa și nu năvălindu-se la întâmplare în întreaga galaxie. Așa a fost descoperită legea gravitației universale, cunoscută și ca a treia lege a lui Newton.
În limbajul formulelor matematice, această lege arată astfel:
F=GMm/D 2 ,
Unde F- forța de gravitație reciprocă între două corpuri;
M- masa primului corp;
m- masa celui de-al doilea corp;
D 2- distanta dintre doua corpuri;
G- constantă gravitațională egală cu 6,67x10 -11.
Mai întâi, să ne imaginăm Pământul ca o minge staționară (Fig. 3.1, a). Forța gravitațională F dintre Pământ (masa M) și un obiect (masa m) este determinată de formula: F=Gmm/r 2
unde r este raza Pământului. Constanta G este cunoscută ca constantă gravitațională universală si extrem de mic. Când r este constant, forța F este const. m. Atracția unui corp de masă m de către Pământ determină greutatea acestui corp: W = mg compararea ecuațiilor dă: g = const = GM/r 2.
Atracția unui corp de masă m de către Pământ îl face să cadă „în jos” cu accelerația g, care este constantă în toate punctele A, B, C și peste tot pe suprafața pământului (Fig. 3.1,6).
Diagrama forțelor corpului liber arată, de asemenea, că există o forță care acționează asupra Pământului dintr-un corp de masă m, care este îndreptată opus forței care acționează asupra corpului de pe Pământ. Cu toate acestea, masa M a Pământului este atât de mare încât accelerația „în sus” a Pământului, calculată prin formula F = Ma, este nesemnificativă și poate fi neglijată. Pământul are altă formă decât sferică: raza la polul r r este mai mică decât raza la ecuator r e. Aceasta înseamnă că forța de atracție a unui corp de masă m la polul F p =GMm/r 2 p este mai mare decât la ecuator F e = GMm/r e . Prin urmare, accelerația căderii libere g p la pol este mai mare decât accelerația căderii libere g e la ecuator. Accelerația g se modifică cu latitudinea în funcție de modificarea razei Pământului.
După cum știți, Pământul este în continuă mișcare. Se rotește în jurul axei sale, făcând o revoluție în fiecare zi și se mișcă pe o orbită în jurul Soarelui cu o revoluție de un an. Pentru simplitate, luând Pământul ca o minge omogenă, să luăm în considerare mișcarea corpurilor de masă m la polul A și la ecuatorul C (Fig. 3.2). Într-o zi, corpul din punctul A se rotește la 360°, rămânând pe loc, în timp ce corpul din punctul C acoperă o distanță de 2l. Pentru ca un corp situat în punctul C să se miște pe o orbită circulară, este nevoie de un fel de forță. Aceasta este o forță centripetă, care este determinată de formula mv 2 /r, unde v este viteza corpului pe orbită. Forța de atracție gravitațională care acționează asupra unui corp situat în punctul C, F = GMm/r, ar trebui:
a) asigura miscarea corpului in cerc;
b) atrage corpul spre Pământ.
Astfel, F = (mv 2 /r)+mg la ecuator și F = mg la pol. Aceasta înseamnă că g se schimbă cu latitudinea pe măsură ce raza orbitală se schimbă de la r în punctul C la zero în punctul A.
Este interesant de imaginat ce s-ar întâmpla dacă viteza de rotație a Pământului ar crește atât de mult încât forța centripetă care acționează asupra unui corp la ecuator ar deveni egală cu forța gravitației, adică mv 2 /r = F = GMm/r 2 . Forța gravitațională totală ar fi folosită numai pentru a menține corpul în punctul C pe o orbită circulară și nu ar mai rămâne nicio forță care să acționeze pe suprafața Pământului. Orice creștere suplimentară a vitezei de rotație a Pământului ar permite corpului să „plutească” în spațiu. În același timp, dacă o navă spațială cu astronauți la bord este lansată la o înălțime R deasupra centrului Pământului cu o viteză v astfel încât egalitatea mv*/R=F = GMm/R 2 este îndeplinită, atunci această navă spațială va se rotesc în jurul Pământului în condiții de imponderabilitate.
Măsurătorile precise ale accelerației gravitaționale g arată că g variază în funcție de latitudine, așa cum se arată în tabelul 3.1. Rezultă că greutatea unui anumit corp se modifică deasupra suprafeței Pământului de la un maxim la latitudinea 90° la un minim la latitudinea 0°.
La acest nivel de antrenament, micile modificări ale accelerației g sunt de obicei neglijate și se folosește valoarea medie de 9,81 m-s 2. Pentru a simplifica calculele, accelerația g este adesea considerată cel mai apropiat număr întreg, adică 10 m-s - 2, și astfel forța de atracție care acționează de la Pământ asupra unui corp care cântărește 1 kg, adică greutatea, este luată ca 10 N. Cele mai multe comisii de examinare sugerează folosind g=10 m-s - 2 sau 10 N-kg -1 pentru examinați pentru a simplifica calculele.
Nu este un secret pentru nimeni că legea gravitației universale a fost descoperită de marele om de știință englez Isaac Newton, care, potrivit legendei, se plimba prin grădina de seară și se gândea la problemele fizicii. În acel moment, un măr a căzut din copac (conform unei versiuni, direct pe capul fizicianului, conform alteia, a căzut pur și simplu), care mai târziu a devenit faimosul măr al lui Newton, deoarece l-a condus pe om de știință la o perspectivă, o eureka. Mărul care a căzut pe capul lui Newton l-a inspirat să descopere legea gravitației universale, pentru că Luna pe cerul nopții a rămas nemișcată, dar mărul a căzut, poate că omul de știință a crezut că o anumită forță acționează asupra Lunii (determinând-o să se rotească în orbita), deci pe măr, făcându-l să cadă la pământ.
Acum, potrivit unor istorici ai științei, toată această poveste despre măr este doar o ficțiune frumoasă. De fapt, dacă mărul a căzut sau nu, nu este atât de important; ceea ce este important este că omul de știință a descoperit și formulat legea gravitației universale, care este acum una dintre pietrele de temelie atât ale fizicii, cât și ale astronomiei.
Desigur, cu mult înainte de Newton, oamenii au observat atât lucrurile căzând pe pământ, cât și stelele de pe cer, dar înaintea lui credeau că există două tipuri de gravitație: terestră (acționând exclusiv în interiorul Pământului, provocând căderea corpurilor) și cerească ( acționând asupra stelelor și lunii). Newton a fost primul care a combinat aceste două tipuri de gravitație în capul său, primul care a înțeles că există o singură gravitație și acțiunea ei poate fi descrisă printr-o lege fizică universală.
Definiția legii gravitației universale
Conform acestei legi, toate corpurile materiale se atrag unele pe altele, iar forța de atracție nu depinde de proprietățile fizice sau chimice ale corpurilor. Depinde, dacă totul este simplificat cât mai mult, doar de greutatea corpurilor și de distanța dintre ele. De asemenea, trebuie să țineți cont de faptul că toate corpurile de pe Pământ sunt afectate de forța gravitațională a planetei noastre însăși, care se numește gravitație (din latină cuvântul „gravitas” este tradus ca greutate).
Să încercăm acum să formulăm și să scriem cât mai pe scurt cu putință legea gravitației universale: forța de atracție dintre două corpuri cu mase m1 și m2 și separate de o distanță R este direct proporțională cu ambele mase și invers proporțională cu pătratul lui distanța dintre ele.
Formula pentru legea gravitației universale
Mai jos vă prezentăm atenției formula legii gravitației universale.
G în această formulă este constanta gravitațională, egală cu 6,67408(31) 10 −11, aceasta este mărimea impactului forței gravitaționale a planetei noastre asupra oricărui obiect material.
Legea gravitației universale și a imponderabilității corpurilor
Legea gravitației universale descoperită de Newton, precum și aparatul matematic însoțitor, au stat mai târziu la baza mecanicii și astronomiei cerești, deoarece cu ajutorul ei este posibil să se explice natura mișcării corpurilor cerești, precum și fenomenul. de imponderabilitate. Fiind în spațiul cosmic la o distanță considerabilă de forța de atracție și gravitație a unui corp atât de mare ca o planetă, orice obiect material (de exemplu, o navă spațială cu astronauți la bord) se va găsi într-o stare de imponderabilitate, deoarece forța de influența gravitațională a Pământului (G în formula pentru legea gravitației) sau vreo altă planetă nu o va mai influența.
Legea gravitației universale, video
Și în concluzie, un videoclip instructiv despre descoperirea legii gravitației universale.
