Гравитация - какво е това? Силата на гравитацията. Земната гравитация

Човечеството отдавна е мислило за това как работи околният свят. Защо тревата расте, защо слънцето грее, защо не можем да летим с хелип? Последното, между другото, винаги е било от особен интерес за хората. Сега знаем, че причината за всичко е гравитацията. Какво е това и защо този феномен е толкова важен в мащаба на Вселената, ще разгледаме днес.

продром

Учените са установили, че всички масивни органи изпитват взаимно привличане един към друг. Впоследствие се оказа, че тази тайнствена сила определя движението на небесни тела по техните постоянни орбити. Същата теория на тежестта формулирана блестяща Исак Нютон, чиито хипотези предопределят развитието на физика в продължение на много векове напред. Той развива и продължава (макар и в съвсем различна посока) това учение Алберт Айнщайн - един от най-великите умове на миналия век.

През вековете учените са наблюдавали привличането, опитвайки се да го разберат и измерват. И накрая, през последните няколко десетилетия дори феномен като гравитацията е поставен в служба на човечеството (в известен смисъл, разбира се). Какво е това, какво е определението на понятието в съвременната наука?

Научно определение

Ако изучавате произведенията на древните мислители, можете да разберете, че латинската дума "gravitas" означава "тежест", "привличане". Днес учените наричат ​​това универсално и постоянно взаимодействие между материалните тела. Ако тази сила е относително слаба и действа само върху обекти, които се движат много по-бавно скоростта на светлината, тогава теорията на Нютон е приложима към тях. Ако ситуацията се обърне, трябва да се използват заключенията на Айнщайн.

Веднага направете резервация: понастоящем самото естество на гравитацията не е напълно разбрано по принцип. Ние все още не знаем напълно какво е то.

Теологиите на Нютон и Айнщайн

Според класическите учения на Исак Нютон, всички тела се привличат един към друг със сила, пряко пропорционална на тяхната маса, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието, което лежи между тях. Айнщайн твърди, че гравитацията между обекти се проявява в случай на кривина на пространството и времето (и кривината на пространството е възможна само ако има значение в него).

Тази мисъл беше много дълбока, но съвременните изследвания доказват, че това е малко неточно. Днес се вярва, че гравитацията в космоса оформя само пространство: времето може да бъде спирано и дори спряно, но реалността на промяната на формата на времето не е теоретично потвърдена. Следователно класическото уравнение на Айнщайн дори не дава шанс, че пространството ще продължи да оказва влияние върху материята и нововъзникващото магнитно поле.

Законът за гравитацията (универсална гравитация) е по-известен, математическият израз на който принадлежи само на Нютон:

[F = гама-фрак [-1.2] {m_1 m_2} {r ^ 2}

под гама - се разбира като гравитационна константа (понякога се използва символът G), чиято стойност е 6,67545 × 10 minus-11 msup3 - / (kgmiddot-s²).

Взаимодействие между елементарните частици

Невероятната сложност на околното пространство до голяма степен е свързана с безкраен брой елементарни частици. Между тях има и различни взаимодействия на тези нива, от които можем само да гадаем. Въпреки това, всички видове взаимодействия на елементарните частици се различават значително в тяхната якост.

Най-мощната от всички известни ни сили са компонентите на атомното ядро. За да ги изключите, трябва да прекарате наистина колосално количество енергия. Що се отнася до електроните, те са "обвързани" с ядрото само с обикновени електромагнитно взаимодействие. За да го спрете, понякога достатъчно енергия, която се появява в резултат на най-обичайната химическа реакция. Гравитация (това, което вече знаете) във версията на атомите и субатомните частици е най-лесният вид взаимодействие.

Гравитационното поле в този случай е толкова слабо, че е трудно да си представим. Странно, както изглежда, движението на небесни тела, чиято маса понякога е невъзможно да си представим, се "гледа" от тях. Всичко това е възможно поради две особености на гравитацията, които са особено изразени в случая на големи физически тела:

• За разлика от атомните сили, гравитационното привличане е по-забележимо на разстояние от обекта. Така че гравитацията на Земята държи дори Луната на своето поле и сходната сила на Юпитер лесно поддържа орбитите на няколко спътника, масата на всяка от които е доста сравнима с наземната!
• В допълнение, тя винаги осигурява атракция между обектите и с разстоянието тази сила се отслабва при ниска скорост.

Формирането на повече или по-малко хармонична теория за тежестта се случваше сравнително напоследък и то именно от резултатите на вековните наблюдения на движението на планети и други небесни тела. Задачата беше значително улеснена от факта, че всички те се движат във вакуум, където просто няма други възможни взаимодействия. Галилео и Кеплер - двама изключителни астрономи от онова време, с ценните си наблюдения, помогнаха да се подготви почвата за нови открития.

Но само великият Исак Нютон успя да създаде първата теория на гравитацията и да я изрази в математическо представяне. Това е първият закон на гравитацията, чието математическо представяне е представено по-горе.

Заключения на Нютон и някои от неговите предшественици

За разлика от други физически феномени, които съществуват в света около нас, гравитацията се проявява винаги и навсякъде. Трябва да се разбере, че терминът "нулева гравитация", който е често срещан в псевдо-научни кръгове, не е вярна: дори безтегловност в космоса не означава, че човек или космически кораб не е валиден привличане на масивен обект.

Освен това всички материални тела имат определена маса, изразена под формата на сила, която е била приложена към тях, и ускорението, получено чрез това действие.

Така силите на гравитацията са пропорционални на масата на обектите. В числен смисъл те могат да бъдат изразени чрез получаване на продукта на масите на двете разглеждани тела. Тази сила е строго предмет на обратна зависимост от квадрата на разстоянието между обектите. Всички други взаимодействия напълно зависят от разстоянието между двете тела.

Масата като крайъгълен камък на теорията

Масата на предметите се превърна в особена противоречива точка, около която се изгражда цялата съвременна теория за гравитацията и относителността на Айнщайн. Ако си спомняш Второто Законът на Нютон, вероятно знаете, че масата е незаменима характеристика на всяко физическо материално тяло. Показва как ще се държи обектът, ако се приложи силата, независимо от произхода му.

Тъй като всички тела (според Нютон) се ускоряват от действието на външните сили, масата определя колко голямо ще бъде това ускорение. Нека разгледаме един по-разбираем пример. Представете си скутер и автобус: ако приложите абсолютно същата сила към тях, те ще достигнат различни скорости за едно и също време. Всичко това обяснява теорията за гравитацията.

Каква е връзката между масата и привличането?

Ако говорим за гравитацията, тогава масата в този феномен играе напълно противоположна роля на тази, която играе по отношение на силата и ускорението на обекта. Това е основният източник на самото привличане. Ако вземете две тела и видите с каква сила те привличат третия обект, който се намира на равни разстояния от първите две, тогава съотношението на всички сили ще бъде равно на съотношението на масите на първите два обекта. Така силата на привличане е пряко пропорционална на масата на тялото.

Ако смятате Третия закон на Нютон, можете да сте сигурни, че той казва точно същото. Силата на гравитацията, която действа върху две тела, разположени на еднакво разстояние от източника на привличане, зависи пряко от масата на тези обекти. В ежедневието говорим за силата, с която тялото се привлича към повърхността на планетата, като нейното тегло.

Да обобщим някои резултати. Така че масата е тясно свързана със силата и ускоряването. В същото време е тя, която определя силата, с която атракцията ще действа върху тялото.

Характеристики на ускоряване на телата в гравитационно поле

Тази удивителна двойнственост е причината, че в едно и също гравитационно поле ускорението на напълно различни обекти ще бъде равно. Да предположим, че имаме две тела. Назначаваме една от тях маса z, а друга - Z. И двата предмета са паднали на земята, където те падат свободно.

Как се определя съотношението на силите на привличане? Той показва най-простата математическа формула - z / Z. Това е само ускорението, което получават в резултат на действието на силата на привличане, ще бъде точно същото. Просто казано, ускорението, което тялото има в гравитационното поле, не зависи от неговите свойства.

Какво определя ускорението в този случай?

Тя зависи само от (!) Масата на обектите, които създават това поле, както и тяхната пространствена позиция. Дълговата роля на масата и равното ускоряване на различни тела в гравитационното поле са открити за относително дълго време. Тези явления получиха следното заглавие: "Принципът на еквивалентност". Този термин отново подчертава, че ускорението и инерцията често са еквивалентни (до известна степен, разбира се).

Значението на G

От учебния курс по физика, ние помним, че ускорението на гравитацията на повърхността на нашата планета (земната гравитация) е 10 м / сек.² (9.8 разбира се, но за простота на изчисленията тази стойност се използва). По този начин, ако не вземем предвид въздушното съпротивление (на значителна височина с малко разстояние), ефектът ще бъде постигнат, когато тялото придобие увеличение на ускорението от 10 м / сек. всяка секунда. Така че, книгата, която падна от втория етаж на къщата, до края на полета си ще се движи със скорост от 30-40 м / сек. Просто казано, 10 m / s е "скоростта" на гравитацията в Земята.

Ускоряването на свободното падане във физическата литература се обозначава с буквата "g". Тъй като формата на Земята до известна степен прилича повече на мандарина, отколкото на топката, стойността на тази величина далеч не е еднаква във всичките й региони. По този начин при полюсите ускорението е по-високо, а на върховете на високите планини става по-малко.

Дори и в добивната промишленост, най-малкото роля играе гравитацията. Физиката на това явление понякога може да спести много време. По този начин геолозите се интересуват особено от идеалното точно определяне на g, тъй като това позволява проучването и откриването на минерални находища с изключителна точност. Между другото, как изглежда формулата на гравитацията, при която количеството, разглеждано от нас, играе важна роля? Тук е:

F = G × M1 × M2 / R2

Обърнете внимание! В този случай, гравитационната формула предполага "гравитационна константа" под G, стойността на която вече сме посочили по-горе.

В един момент Нютон формулира горните принципи. Той напълно разбираше единството и универсалността гравитационна сила, но не можеше да опише всички аспекти на този феномен. Тази чест падна на Алберт Айнщайн, който също може да обясни принципа на еквивалентност. Той е този, който човечеството е задължено от съвременното разбиране за самото естество на пространствено-времевия континуум.

Теорията на относителността, работата на Алберт Айнщайн

В дните на Исак Нютон се смяташе, че референтните точки могат да бъдат представени под формата на някои твърди "пръчки", с които се установява позицията на тялото в пространствената координатна система. В същото време се приемаше, че всички наблюдатели, които маркират тези координати, ще бъдат едновременно пространство. През тези години тази разпоредба се считаше за толкова очевидна, че не бяха направени опити да я оспорим или да я допълним. И това е разбираемо, защото в нашата планета няма отклонения в това правило.

Айнщайн доказва, че точността на измерването би била наистина значима, ако хипотетичният часовник се движи много по-бавно от скоростта на светлината. Просто казано, ако един наблюдател, който се движи по-бавно от скоростта на светлината, ще последва две събития, те ще се случват за него в даден момент. Съответно, за втория наблюдател? чиято скорост е една и съща или повече, събитията могат да се появят в различно време.

Но как е свързана гравитационната сила с теорията на относителността? Ще разгърнем този въпрос подробно.

Връзката между теорията на относителността и гравитационните сили

През последните години са направени огромни количества открития в областта на субатомните частици. Убеждението расте, че ние сме на път да намерим крайната частица, отвъд която светът ни не може да се разпадне. Колкото по-настоятелно е необходимостта да се разбере как основните сили, открити през миналия век и още по-рано, оказват влияние върху най-малките "тухли" на нашата вселена. Особено обидно е, че самото естество на гравитацията все още не е обяснено.

Ето защо, след като Айнщайн, който установи "неспособността" на класическата механика на Нютон в разглежданата област, изследователите се съсредоточиха върху цялостното преосмисляне на данните, получени по-рано. В много отношения самата тежест претърпя ревизия. Какво е това на нивото на субатомните частици? Има ли някакво значение в този невероятен многоизмерен свят?

Просто решение?

Отначало мнозина приемаха, че несъответствието между гравитацията на Нютон и теорията на относителността може да бъде обяснено просто като се извлекат аналогии от областта на електродинамиката. Това би било възможно да се предположи, че гравитационното поле се разпространява като магнитно поле, след което е възможно да се обяви "посредник" в взаимодействията на небесни тела, като обясни многото несъответствия на старата и новата теория. Точката е, че тогава относителните скорости на размножаване на разглежданите сили се оказаха много по-ниски от скоростта на светлината. И така, как се отнася гравитацията и времето?

По принцип, самият Айнщайн почти успя да изгради релативистична теория въз основа на точно такива възгледи, но само едно обстоятелство възпрепятства намерението му. Никой от учените от онова време нямаше никаква информация, която да помогне да се определи "скоростта" на гравитацията. Но имаше много информация, свързана с движението на големи маси. Както знаете, те са всепризнатият източник на появата на мощни гравитационни полета.

Големите скорости оказват силно влияние върху масата на телата и това изобщо не е подобно на взаимодействието между скоростта и зареждането. Колкото по-висока е скоростта, толкова по-голяма е масата на тялото. Проблемът е, че последната стойност автоматично ще стане безкрайно в случай на движение със скорост на светлината или по-висока. И така, Айнщайн заключи, че няма гравитационно поле, а поле на тензор, за чието описание трябва да се използват много повече променливи.

Неговите последователи стигнаха до заключението, че гравитацията и времето са практически несвързани. Фактът е, че това сами по себе си тензорно поле може да действа в пространството, но за известно време не може да се отрази. Въпреки това гениалната физика на модерността на Стивън Хокинг има друга гледна точка. Но това е друга история ...