Izaak Newton zasugerował, że pomiędzy dowolnymi ciałami w przyrodzie istnieją siły wzajemnego przyciągania. Siły te nazywane są przez siły grawitacyjne Lub siły uniwersalna grawitacja . Siła nienaturalnej grawitacji objawia się w przestrzeni kosmicznej, Układzie Słonecznym i na Ziemi.

Prawo grawitacji

Newton uogólnił prawa ruchu ciała niebieskie i odkryłem, że siła \(F\) jest równa:

\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]

gdzie \(m_1\) i \(m_2\) to masy oddziałujących ciał, \(R\) to odległość między nimi, \(G\) to współczynnik proporcjonalności, który nazywa się stała grawitacyjna. Wartość liczbową stałej grawitacji określił Cavendish eksperymentalnie, mierząc siłę oddziaływania pomiędzy ołowianymi kulkami.

Fizyczne znaczenie stałej grawitacji wynika z prawa powszechnego ciążenia. Jeśli \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg)\), \(R = 1 \text(m) \) , następnie \(G = F \) , tj. stała grawitacyjna jest równa sile, z jaką przyciągają się dwa ciała o masie 1 kg każde z odległości 1 m.

Wartość numeryczna:

\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .

Siły powszechnej grawitacji działają pomiędzy dowolnymi ciałami w przyrodzie, ale stają się zauważalne, kiedy duże masy ach (lub jeśli przynajmniej masa jednego z ciał jest duża). Prawo powszechnego ciążenia jest spełnione tylko dla punkty materialne i kule (w tym przypadku za odległość przyjmuje się odległość między środkami kulek).

Powaga

Szczególnym rodzajem uniwersalnej siły grawitacyjnej jest siła przyciągania ciał do Ziemi (lub innej planety). Ta siła nazywa się powaga. Pod wpływem tej siły wszystkie ciała uzyskują przyspieszenie swobodnego spadania.

Zgodnie z drugim prawem Newtona \(g = F_T /m\) , zatem \(F_T = mg \) .

Jeżeli M jest masą Ziemi, R jest jej promieniem, m jest masą danego ciała, to siła ciężkości jest równa

\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .

Siła ciężkości jest zawsze skierowana w stronę środka Ziemi. W zależności od wysokości \(h\) nad powierzchnią Ziemi i szerokość geograficzna przyspieszenie pozycji ciała swobodny spadek nabiera różnych znaczeń. Na powierzchni Ziemi i na średnich szerokościach geograficznych przyspieszenie ziemskie wynosi 9,831 m/s 2 .

Masy ciała

Pojęcie masy ciała jest szeroko stosowane w technologii i życiu codziennym.

Masy ciała oznaczone przez \(P\) . Jednostką masy jest niuton (N). Od wagi równa sile, z jakim ciało oddziałuje na podporę, wówczas zgodnie z trzecim prawem Newtona ciężar ciała jest równy sile reakcji podpory. Dlatego, aby znaleźć ciężar ciała, należy określić, jaka jest równa siła reakcji podpory.

W tym przypadku przyjmuje się, że ciało jest nieruchome względem podpory lub zawieszenia.

Ciężar ciała i siła grawitacji mają różny charakter: ciężar ciała jest przejawem działania sił międzycząsteczkowych, a siła ciężkości ma charakter grawitacyjny.

Nazywa się stan ciała, w którym jego masa wynosi zero nieważkość. Stan nieważkości obserwuje się w samolocie lub statku kosmicznym poruszającym się z przyspieszeniem swobodnego spadania, niezależnie od kierunku i wartości prędkości ich ruchu. Poza atmosferą ziemską, gdy silniki odrzutowe są wyłączone, na statek kosmiczny działa jedynie siła powszechnej grawitacji. Pod wpływem tej siły statek kosmiczny i wszystkie znajdujące się w nim ciała poruszają się z tym samym przyspieszeniem, dlatego na statku obserwuje się stan nieważkości.

JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce.
Aby wykonać obliczenia, musisz włączyć kontrolki ActiveX!

Nie tylko najbardziej tajemnicze siły natury, ale i najpotężniejszy.

Człowiek na ścieżce postępu

Historycznie rzecz biorąc, okazało się, że Człowiek w miarę jak posuwa się do przodu sposoby postępu opanował coraz potężniejsze siły natury. Zaczął, gdy nie miał nic poza kijem w dłoni i własną siłą fizyczną. Był jednak mądry i wykorzystał w swojej służbie siłę fizyczną zwierząt, czyniąc je udomowionymi. Koń przyspieszył swój bieg, wielbłąd uczynił pustynię przejezdną, słoń uczynił bagnistą dżunglę. Ale siła fizyczna nawet najsilniejszych zwierząt jest nieporównywalnie mała w porównaniu z siłami natury. Człowiek jako pierwszy ujarzmił żywioł ognia, ale tylko w jego najbardziej osłabionej wersji. Początkowo – przez wiele stuleci – jako paliwo używał wyłącznie drewna – paliwa bardzo niskoenergetycznego. Nieco później nauczył się wykorzystywać to źródło energii do wykorzystania energii wiatru, człowiek uniósł w powietrze białe skrzydło żagla – a lekki statek przeleciał niczym ptak po falach. Żaglówka na falach. Wystawił ostrza wiatraka na podmuchy wiatru - i ciężkie kamienie kamieni młyńskich zaczęły się wirować, a tłuczki młynków zaczęły grzechotać. Ale dla wszystkich jest jasne, że energia strumieni powietrznych jest daleka od koncentracji. Poza tym zarówno żagiel, jak i wiatrak bały się podmuchów wiatru: sztorm zerwał żagle i zatopił statki, sztorm połamał skrzydła i przewrócił młyny. Więcej później człowieku rozpoczął podbój płynącej wody. Koło to nie tylko najbardziej prymitywne urządzenie zdolne do zamiany energii wody w ruch obrotowy, ale także najmniej wydajny w porównaniu do różnych. Człowiek szedł coraz dalej po drabinie postępu i potrzebował coraz więcej energii. Zaczął stosować nowe rodzaje paliw – już przechodząc na spalanie węgiel podniósł energochłonność kilograma paliwa z 2500 kcal do 7000 kcal – prawie trzykrotnie. Potem przyszedł czas na ropę i gaz. Wartość energetyczna każdego kilograma paliwa kopalnego ponownie wzrosła półtora do dwóch razy. Silniki parowe zostały zastąpione przez turbiny parowe; koła młyńskie zastąpiono turbinami hydraulicznymi. Następnie mężczyzna wyciągnął rękę do rozszczepiającego się atomu uranu. Pierwsze użycie nowego rodzaju energii miało jednak tragiczne skutki – pożar nuklearny Hiroszimy w 1945 roku w ciągu kilku minut pochłonął 70 tysięcy ludzkich serc. W 1954 roku uruchomiono pierwszą na świecie radziecką elektrownię jądrową, która zamieniła moc uranu w promieniującą siłę prądu elektrycznego. A trzeba zaznaczyć, że kilogram uranu zawiera dwa miliony razy więcej energii niż kilogram najlepszej ropy. Był to zasadniczo nowy ogień, który można nazwać fizycznym, ponieważ to fizycy badali procesy prowadzące do narodzin tak bajecznych ilości energii. Uran nie jest jedynym paliwem jądrowym. Stosowany jest już mocniejszy rodzaj paliwa - izotopy wodoru. Niestety, człowiekowi nie udało się jeszcze ujarzmić płomienia nuklearnego wodorowo-helowego. Wie, jak na chwilę rozpalić swój wszechogarniający ogień, wywołując reakcję bomba wodorowa błysk eksplozji uranu. Ale naukowcy widzą także reaktor wodorowy, który będzie rodził coraz bliżej. Elektryczność w wyniku fuzji jąder izotopów wodoru z jądrami helu. Ponownie ilość energii, jaką człowiek może pobrać z każdego kilograma paliwa, wzrośnie prawie dziesięciokrotnie. Ale czy ten krok będzie ostatnim w nadchodzącej historii władzy ludzkości nad siłami natury? NIE! Przed nami opanowanie grawitacyjnej formy energii. Jest jeszcze mądrzej zapakowana przez naturę niż nawet energia syntezy wodoru i helu. Dziś jest to najbardziej skoncentrowana forma energii, jaką można sobie wyobrazić. Nie widać tam jeszcze niczego poza najnowocześniejszymi osiągnięciami nauki. I choć śmiało można powiedzieć, że elektrownie będą pracować dla człowieka, zamieniając energię grawitacyjną w prąd elektryczny (a być może w strumień gazu wydobywający się z dyszy silnika odrzutowego, czy też w planowaną przemianę wszechobecnych atomów krzemu i tlenu na atomy ultrarzadkich metali), nie możemy jeszcze nic powiedzieć o szczegółach takiej elektrowni (silnik rakietowy, reaktor fizyczny).

Siła powszechnej grawitacji u początków narodzin galaktyk

Siła powszechnej grawitacji leży u początków narodzin galaktyk z materii przedgwiazdowej, o czym przekonany jest akademik V.A. Ambartsumyan. Gasi gwiazdy, które wypaliły swój czas, zużywając gwiezdne paliwo, które otrzymały przy narodzinach. Wielu fizyków wyjaśnia istnienie kwazarów działaniem uniwersalnej grawitacji (więcej szczegółów:) Rozejrzyj się: tutaj na Ziemi wszystko jest w dużej mierze kontrolowane przez tę siłę. To właśnie determinuje warstwową strukturę naszej planety - naprzemienność litosfery, hydrosfery i atmosfery. To ona trzyma grubą warstwę gazów powietrznych, na dnie której i dzięki której wszyscy istniejemy. Gdyby nie grawitacja, Ziemia natychmiast wypadłaby ze swojej orbity wokół Słońca, a sam glob rozpadłby się, rozerwał siły odśrodkowe. Trudno znaleźć coś, co nie byłoby w takim czy innym stopniu zależne od siły powszechnej grawitacji. Oczywiście starożytni filozofowie, ludzie bardzo spostrzegawczy, nie mogli nie zauważyć, że kamień rzucony w górę zawsze wraca. Platon w IV wieku p.n.e. wyjaśnił to mówiąc, że wszystkie substancje Wszechświata zmierzają tam, gdzie koncentruje się większość podobnych substancji: rzucony kamień spada na ziemię lub opada na dno, rozlana woda przedostaje się do najbliższego stawu lub do rzeka wpadająca do morza, dym ognia pędzi ku pokrewnym chmurom. Uczeń Platona, Arystoteles, wyjaśnił, że wszystkie ciała mają szczególne właściwości: ciężkość i lekkość. Ciała ciężkie – kamienie, metale – pędzą do centrum Wszechświata, ciała lekkie – ogień, dym, opary – na peryferie. Hipoteza ta, wyjaśniająca niektóre zjawiska związane z siłą powszechnej grawitacji, istnieje od ponad 2 tysięcy lat.

Naukowcy o sile powszechnej grawitacji

Prawdopodobnie jako pierwszy zadał to pytanie siła powszechnej grawitacji prawdziwie naukowo istniał geniusz renesansu – Leonardo da Vinci. Leonardo głosił, że grawitacja nie jest cechą charakterystyczną Ziemi i że istnieje wiele środków ciężkości. Wyraził także pogląd, że siła ciężkości zależy od odległości od środka ciężkości. Prace Kopernika, Galileusza, Keplera, Roberta Hooke'a coraz bardziej przybliżały ideę prawa powszechnego ciążenia, jednak w ostatecznym sformułowaniu prawo to na zawsze zostało powiązane z imieniem Izaaka Newtona.

Izaak Newton o sile powszechnego ciążenia

urodził się 4 stycznia 1643 r. Ukończył Uniwersytet w Cambridge, uzyskał tytuł licencjata, a następnie magistra.
Izaaka Newtona. Wszystko dalej to nieskończone bogactwo prace naukowe. Jednak jego głównym dziełem są „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”, opublikowane w 1687 roku i zwykle nazywane po prostu „Zasadami”. To w nich kształtuje się wielkość. Zapewne każdy pamięta go z czasów liceum.
Wszystkie ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu mas tych ciał i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi...
Niektóre postanowienia tego sformułowania były w stanie wyprzedzić poprzedników Newtona, nikomu jednak nie udało się tego osiągnąć w całości. Trzeba było geniuszu Newtona, aby złożyć te fragmenty w jedną całość, aby rozciągnąć grawitację Ziemi na Księżyc, a Słońca na cały układ planetarny. Z prawa powszechnego ciążenia Newton wydedukował wszystkie prawa ruchu planet odkryte wcześniej przez Keplera. Okazały się być po prostu jego konsekwencjami. Co więcej, Newton pokazał, że nie tylko prawa Keplera, ale także odchylenia od tych praw (w świecie trzech i więcej ciał) są konsekwencją powszechnej grawitacji... Był to wielki triumf nauki. Wydawało się, że w końcu zostało to odkryte i opisane matematycznie główna siła natura, która porusza światy, siła kontrolująca cząsteczki powietrza, jabłka i Słońce. Krok wykonany przez Newtona był gigantyczny, nieporównywalnie ogromny. Pierwszy popularyzator twórczości genialnego naukowca, francuski pisarz François Marie Arouet, znany na całym świecie pod pseudonimem Voltaire, powiedział, że Newton nagle zdał sobie sprawę z istnienia prawa nazwanego jego imieniem, gdy spojrzał na spadające jabłko. Sam Newton nigdy nie wspomniał o tym jabłku. I nie warto dzisiaj tracić czasu na obalanie tej pięknej legendy. I najwyraźniej Newton doszedł do zrozumienia wielkiej potęgi natury poprzez logiczne rozumowanie. Prawdopodobnie to właśnie znalazło się w odpowiednim rozdziale „Początków”.

Siła powszechnej grawitacji wpływa na lot jądra

Załóżmy, że na bardzo wysokiej górze, tak wysokiej, że jej szczyt nie znajduje się już w atmosferze, zainstalowaliśmy gigantyczną artylerię. Jej lufę umieszczono ściśle równolegle do powierzchni kuli i wystrzelono. Po opisaniu łuku, rdzeń spada na Ziemię . Zwiększamy ładunek, poprawiamy jakość prochu i w taki czy inny sposób zmuszamy kulę armatnią do poruszania się z większą prędkością po kolejnym strzale. Łuk zapisywany przez rdzeń staje się bardziej płaski. Jądro leży znacznie dalej od podnóża naszej góry. Zwiększamy także ładunek i strzelamy. Jądro leci po tak płaskiej trajektorii, że opada równolegle do powierzchni globu. Jądro nie może już spaść na Ziemię: przy tej samej prędkości, z jaką maleje, Ziemia ucieka spod niego. I po opisaniu pierścienia wokół naszej planety rdzeń powraca do punktu wyjścia. W międzyczasie broń można wyjąć. Przecież lot jądra dookoła globu zajmie ponad godzinę. A potem rdzeń szybko przeleci nad szczytem góry i wyruszy w nowy lot wokół Ziemi. Jeśli, jak ustaliliśmy, rdzeń nie napotka żadnego oporu powietrza, nigdy nie będzie mógł spaść. W tym celu prędkość rdzenia powinna być bliska 8 km/s. A co jeśli zwiększymy prędkość lotu jądra? Najpierw poleci po łuku bardziej płaskim niż krzywizna powierzchni Ziemi, a następnie zacznie się oddalać od Ziemi. Jednocześnie jego prędkość będzie się zmniejszać pod wpływem grawitacji Ziemi. I w końcu, odwracając się, zacznie spadać z powrotem na Ziemię, ale przeleci obok niej i zamknie nie okrąg, ale elipsę. Jądro będzie poruszać się po Ziemi dokładnie w taki sam sposób, w jaki Ziemia porusza się wokół Słońca, czyli po elipsie, w jednym z ognisk, w którym będzie znajdować się środek naszej planety. Jeśli dodatkowo zwiększysz prędkość początkową rdzenia, elipsa stanie się bardziej rozciągnięta. Możliwe jest rozciągnięcie tej elipsy tak, aby rdzeń dotarł do orbity Księżyca lub nawet znacznie dalej. Jednak dopóki początkowa prędkość tego jądra nie przekroczy 11,2 km/s, pozostanie on satelitą Ziemi. Jądro, które po wystrzeleniu uzyskało prędkość ponad 11,2 km/s, na zawsze odleci od Ziemi po trajektorii parabolicznej. Jeśli elipsa jest krzywą zamkniętą, to parabola jest krzywą, która ma dwie gałęzie prowadzące do nieskończoności. Poruszając się po elipsie, niezależnie od jej długości, nieuchronnie systematycznie będziemy wracać do punktu wyjścia. Poruszając się po paraboli, nigdy nie wrócimy do punktu wyjścia. Ale opuszczając Ziemię z tą prędkością, rdzeń nie będzie jeszcze mógł latać do nieskończoności. Potężna grawitacja Słońca zakrzywi trajektorię jego lotu, zamykając ją wokół siebie niczym trajektorię planety. Jądro stanie się siostrą Ziemi, niezależną małą planetą w naszej rodzinie planet. Aby skierować rdzeń poza układ planetarny, pokonać grawitację słoneczną, należy nadać mu prędkość ponad 16,7 km/s i tak poprowadzić, aby do tej prędkości dodać prędkość własny ruch Ziemia. Prędkość około 8 km/s (prędkość ta zależy od wysokości góry, z której strzela nasze działo) nazywa się prędkością kołową, prędkości od 8 do 11,2 km/s są eliptyczne, od 11,2 do 16,7 km/s są paraboliczne, a powyżej tej liczby – przy prędkościach wyzwalających. Należy tu dodać, że podane wartości tych prędkości obowiązują tylko dla Ziemi. Gdybyśmy żyli na Marsie, prędkość kołowa byłaby dla nas znacznie łatwiejsza do osiągnięcia - wynosi zaledwie około 3,6 km/s, a prędkość paraboliczna jest tylko nieco większa niż 5 km/s. Jednak wysłanie jądra w kosmos z Jowisza byłoby znacznie trudniejsze niż z Ziemi: prędkość kołowa na tej planecie wynosi 42,2 km/s, a prędkość paraboliczna to nawet 61,8 km/s! Najtrudniej byłoby mieszkańcom Słońca opuścić swój świat (o ile oczywiście taki mógłby istnieć). Prędkość po okręgu tego giganta powinna wynosić 437,6, a prędkość ucieczki - 618,8 km/s! I tak Newton pod koniec XVII wieku, sto lat przed pierwszym lotem wypełnionym ciepłym powietrzem balon na gorące powietrze bracia Montgolfier, dwieście lat przed pierwszymi lotami samolotu braci Wright i prawie ćwierć tysiąclecia przed startem pierwszych rakiet na paliwo ciekłe, wskazali drogę do nieba satelitom i statkom kosmicznym.

Siła powszechnej grawitacji jest nieodłączna w każdej sferze

Używając prawo powszechnego ciążenia były otwarte nieznane planety stworzono kosmogoniczne hipotezy pochodzenia Układ Słoneczny. Główna siła natury, która kontroluje gwiazdy, planety, jabłka w ogrodzie i cząsteczki gazu w atmosferze, została odkryta i opisana matematycznie. Nie znamy jednak mechanizmu powszechnej grawitacji. Grawitacja Newtona nie wyjaśnia, ale wyraźnie przedstawia stan aktulany ruchy planet. Nie wiemy, co powoduje oddziaływanie wszystkich ciał we Wszechświecie. I nie można powiedzieć, że Newton nie był zainteresowany tym powodem. Przez wiele lat zastanawiał się nad możliwym mechanizmem. Swoją drogą to rzeczywiście niezwykle tajemnicza moc. Siła, która objawia się na przestrzeni setek milionów kilometrów przestrzeni, pozbawionej na pierwszy rzut oka jakichkolwiek form materialnych, za pomocą których można by wyjaśnić przeniesienie interakcji.

Hipotezy Newtona

I Niuton uciekał się hipoteza o istnieniu pewnego eteru, który rzekomo wypełnia cały Wszechświat. W 1675 roku wyjaśnił przyciąganie Ziemi faktem, że eter wypełniający cały Wszechświat pędzi ciągłymi strumieniami do środka Ziemi, wychwytując wszystkie obiekty w tym ruchu i tworząc siłę grawitacji. Ten sam strumień eteru pędzi w stronę Słońca i niosąc ze sobą planety i komety, zapewnia ich eliptyczne trajektorie... Nie była to hipoteza zbyt przekonująca, choć absolutnie matematycznie logiczna. Ale potem, w 1679 roku, Newton stworzył nową hipotezę wyjaśniającą mechanizm grawitacji. Tym razem nadaje eterowi właściwość posiadania różnych koncentracji w pobliżu planet i daleko od nich. Im dalej od centrum planety, tym rzekomo gęstszy eter. Ma też właściwość wyciskania wszystkich ciał materialnych z ich gęstszych warstw do mniej gęstych. I wszystkie ciała są wyciskane na powierzchnię Ziemi. W 1706 roku Newton ostro zaprzeczył istnieniu eteru. W 1717 roku ponownie powrócił do hipotezy wytłaczania eteru. Genialny mózg Newtona szukał rozwiązania wielka tajemnica i nie znalazłem jej. To wyjaśnia tak ostre rzucanie z boku na bok. Newton lubił mówić:
Nie stawiam hipotez.
I chociaż, jak tylko udało nam się to sprawdzić, nie jest to do końca prawda, z całą pewnością można stwierdzić coś innego: Newton wiedział, jak wyraźnie odróżnić rzeczy bezsporne od hipotez niepewnych i kontrowersyjnych. A w „Zasadach” znajduje się formuła wielkiego prawa, ale nie ma próby wyjaśnienia jego mechanizmu. Wielki fizyk pozostawił tę zagadkę człowiekowi przyszłości. Zmarł w 1727 r. Nie udało się tego rozwiązać do dziś. Dyskusja na temat fizycznej istoty prawa Newtona trwała dwa stulecia. I być może dyskusja ta nie dotyczyłaby samej istoty prawa, gdyby odpowiadała dokładnie na wszystkie zadawane jej pytania. Ale faktem jest, że z czasem okazało się, że prawo to nie jest uniwersalne. Że zdarzają się przypadki, gdy nie potrafi wyjaśnić tego czy innego zjawiska. Podajmy przykłady.

Siła powszechnego ciążenia w obliczeniach Seeligera

Pierwszym z nich jest paradoks Seeligera. Uznając Wszechświat za nieskończony i równomiernie wypełniony materią, Seeliger próbował obliczyć, korzystając z prawa Newtona, siłę powszechnej grawitacji, jaką tworzy cała nieskończenie duża masa nieskończony wszechświat w pewnym momencie. Z punktu widzenia czystej matematyki nie było to zadanie łatwe. Pokonawszy wszystkie trudności najbardziej złożonych przemian, Seeliger ustalił, że pożądana siła powszechnej grawitacji jest proporcjonalna do promienia Wszechświata. A skoro promień ten jest równy nieskończoności, to siła grawitacji musi być nieskończenie duża. W praktyce jednak tego nie obserwujemy. Oznacza to, że prawo powszechnego ciążenia nie dotyczy całego Wszechświata. Możliwe są jednak inne wyjaśnienia tego paradoksu. Można na przykład założyć, że materia nie wypełnia równomiernie całego Wszechświata, ale jej gęstość stopniowo maleje i ostatecznie gdzieś bardzo daleko nie ma w ogóle materii. Ale wyobrazić sobie taki obraz oznacza przyznać możliwość istnienia przestrzeni bez materii, co jest na ogół absurdalne. Można założyć, że siła powszechnej grawitacji słabnie szybciej niż rośnie kwadrat odległości. Ale to stawia pod znakiem zapytania niesamowitą harmonię prawa Newtona. Nie i to wyjaśnienie nie zadowoliło naukowców. Paradoks pozostał paradoksem.

Obserwacje ruchu Merkurego

Przyniósł inny fakt, działanie siły powszechnego ciążenia, którego nie wyjaśnia prawo Newtona obserwacje ruchu Merkurego- najbliżej planety. Dokładne obliczenia z wykorzystaniem prawa Newtona wykazały, że perhelium – punkt elipsy, po którym Merkury porusza się najbliżej Słońca – powinien przesuwać się o 531 sekund łukowych na 100 lat. Astronomowie ustalili, że to przemieszczenie wynosi 573 sekundy łukowe. Tego nadmiaru – 42 sekundy łukowe – również nie udało się wytłumaczyć naukowcom, posługując się jedynie wzorami wynikającymi z prawa Newtona. Wyjaśnił paradoks Seeligera, przesunięcie peryhelium Merkurego i wiele innych paradoksalnych zjawisk i niewytłumaczalnych faktów Alberta Einsteina, jeden z największych, jeśli nie największy wielki fizyk wszystkich czasów i narodów. Wśród irytujących drobiazgów była kwestia eteryczny wiatr.

Eksperymenty Alberta Michelsona

Wydawało się, że to pytanie nie dotyczy bezpośrednio problemu grawitacji. Związał się z optyką, ze światłem. Dokładniej, aby określić jego prędkość. Prędkość światła po raz pierwszy określił duński astronom Olafa Roemera, obserwując zaćmienie satelitów Jowisza. Stało się to już w 1675 roku. Amerykański fizyk Alberta Michelsona pod koniec XVIII w. przeprowadził szereg pomiarów prędkości światła w warunkach ziemskich, korzystając z zaprojektowanej przez siebie aparatury. W 1927 roku podał prędkość światła na poziomie 299796 + 4 km/s – była to jak na tamte czasy doskonała dokładność. Ale istota jest inna. W 1880 roku postanowił zbadać eteryczny wiatr. Chciał w końcu ustalić istnienie tego właśnie eteru, którego obecność próbowano wyjaśnić w przekazie oddziaływanie grawitacyjne i transmisję fal świetlnych. Michelson był prawdopodobnie najwybitniejszym eksperymentatorem swoich czasów. Miał doskonały sprzęt. I był niemal pewny sukcesu.

Istota doświadczenia

Doświadczenie miał taki zamiar. Ziemia porusza się po swojej orbicie z prędkością około 30 km/s. Porusza się w eterze. Oznacza to, że prędkość światła ze źródła znajdującego się przed odbiornikiem względem ruchu Ziemi musi być większa niż ze źródła znajdującego się po drugiej stronie. W pierwszym przypadku do prędkości światła należy dodać prędkość wiatru eterycznego, w drugim przypadku prędkość światła musi zmniejszyć się o tę wartość.
Ruch Ziemi na orbicie wokół Słońca. Oczywiście prędkość orbity Ziemi wokół Słońca wynosi tylko jedną dziesięciotysięczną prędkości światła. Bardzo trudno jest wykryć tak mały termin, ale nie bez powodu Michelsona nazwano królem dokładności. Zastosował sprytną metodę, aby uchwycić „subtelną” różnicę w prędkości promieni świetlnych. Podzielił wiązkę na dwa równe strumienie i skierował je we wzajemnie prostopadłych kierunkach: wzdłuż południka i wzdłuż równoleżnika. Po odbiciu się od luster promienie powróciły. Jeżeli na wiązkę poruszającą się równolegle pod wpływem wiatru eterycznego, po dodaniu jej do wiązki południkowej, pojawią się prążki interferencyjne, a fale obu wiązek będą przesunięte w fazie. Michelsonowi trudno było jednak zmierzyć ścieżki obu promieni z tak dużą dokładnością, aby były absolutnie identyczne. Zbudował więc aparat tak, aby nie było prążków interferencyjnych, a następnie obrócił go o 90 stopni. Promień południkowy stał się równoleżnikowy i odwrotnie. Jeśli wieje eteryczny wiatr, pod okularem powinny pojawić się czarne i jasne paski! Ale ich tam nie było. Być może, obracając aparat, naukowiec go przesunął. Postawił go w południe i zabezpieczył. W końcu oprócz tego, że obraca się również wokół osi. I dlatego w inny czas dziennie wiązka szerokości geograficznej zajmuje inną pozycję w stosunku do nadchodzącego eterycznego wiatru. Teraz, gdy urządzenie jest całkowicie nieruchome, można być przekonanym o trafności eksperymentu. Nie było już żadnych prążków interferencyjnych. Eksperyment przeprowadzono wiele razy, a Michelson, a wraz z nim wszyscy fizycy tamtych czasów, byli zdumieni. Nie wykryto żadnego eterycznego wiatru! Światło poruszało się we wszystkich kierunkach z tą samą prędkością! Nikt nie był w stanie tego wyjaśnić. Michelson wielokrotnie powtarzał eksperyment, udoskonalał sprzęt i ostatecznie osiągnął niemal niewiarygodną dokładność pomiaru, o rząd wielkości większą niż to, co było konieczne do powodzenia eksperymentu. I znowu nic!

Eksperymenty Alberta Einsteina

Następny duży krok znajomość siły powszechnej grawitacji zrobił Alberta Einsteina. Zapytano kiedyś Alberta Einsteina:
- Jak doszedłeś do szczególnej teorii względności? W jakich okolicznościach wpadłeś na genialny pomysł? Naukowiec odpowiedział: „Zawsze wyobrażałem sobie, że tak jest”.
Może nie chciał być szczery, może chciał pozbyć się irytującego rozmówcy. Trudno jednak sobie wyobrazić, że odkryta przez Einsteina koncepcja powiązań między czasem, przestrzenią i prędkością była wrodzona. Nie, oczywiście, najpierw przemknęła domysł, jasny jak błyskawica. Potem rozpoczął się jego rozwój. Nie, nie ma sprzeczności ze znanymi zjawiskami. A potem pojawiło się pięć stron wypełnionych wzorami, które zostały opublikowane w czasopiśmie fizycznym. Strony otwarte Nowa era w fizyce. Wyobraź sobie statek kosmiczny lecący w kosmos. Ostrzegamy od razu: statek kosmiczny jest bardzo wyjątkowy, ten sam, o którym mówisz historie fantasy nie przeczytałem tego. Jego długość wynosi 300 tysięcy kilometrów, a prędkość powiedzmy 240 tysięcy km/s. I ten statek kosmiczny przelatuje obok jednej z pośrednich platform w kosmosie, nie zatrzymując się na niej. Z pełną prędkością. Jeden z jego pasażerów stoi na pokładzie statku kosmicznego z zegarkiem. A ty i ja, czytelniku, stoimy na platformie - jej długość musi odpowiadać wielkości statku kosmicznego, czyli 300 tysięcy kilometrów, bo inaczej nie będzie mógł na niej wylądować. Mamy też zegarek w rękach. Zauważamy: w tym momencie, gdy dziób statku kosmicznego dotarł do tylnej krawędzi naszej platformy, rozbłysła na nim latarnia, oświetlając otaczającą go przestrzeń. Sekundę później promień światła dotarł do przedniej krawędzi naszej platformy. Nie mamy co do tego wątpliwości, ponieważ znamy prędkość światła i udało nam się dokładnie wykryć odpowiadający jej moment na zegarze. I na statku kosmicznym... Ale statek kosmiczny także leciał w stronę wiązki światła. I na pewno widzieliśmy, że światło oświetliło jego rufę w momencie, gdy znajdował się gdzieś w pobliżu środka platformy. Zdecydowanie widzieliśmy, że promień światła nie przebył 300 tysięcy kilometrów od dziobu do rufy statku. Ale pasażerowie na pokładzie statku kosmicznego są pewni czegoś innego. Są pewni, że ich wiązka pokonała całą odległość od dziobu do rufy wynoszącą 300 tysięcy kilometrów. W końcu spędził nad tym całą sekundę. Wykryli to również absolutnie dokładnie na swoim zegarku. A jak mogłoby być inaczej: w końcu prędkość światła nie zależy od prędkości źródła... Jak to możliwe? My widzimy jedną rzecz ze stacjonarnej platformy, a oni widzą coś innego na pokładzie statku kosmicznego? O co chodzi?

Teoria względności Einsteina

Należy od razu zauważyć: Teoria względności Einsteina na pierwszy rzut oka jest to całkowicie sprzeczne z naszym ustalonym rozumieniem struktury świata. Można powiedzieć, że jest to również sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni go przedstawiać. Zdarzyło się to więcej niż raz w historii nauki. Ale odkrycie kulistego kształtu Ziemi również było sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Jak ludzie mogą żyć po przeciwnej stronie i nie wpaść w otchłań? Dla nas kulistość Ziemi jest faktem niewątpliwym i z punktu widzenia zdrowy rozsądek wszelkie inne założenia są bezsensowne i szalone. Ale cofnij się od swoich czasów, wyobraź sobie pierwsze pojawienie się tego pomysłu, a stanie się jasne, jak trudno byłoby go zaakceptować. No cóż, czy łatwiej byłoby przyznać, że Ziemia nie jest w bezruchu, ale leci po swojej trajektorii kilkadziesiąt razy szybciej niż kula armatnia? To wszystko były błędy zdrowego rozsądku. Dlatego współcześni fizycy nigdy się do tego nie odwołuj. Wróćmy teraz do szczególnej teorii względności. Świat po raz pierwszy rozpoznał ją w 1905 roku na podstawie artykułu podpisanego przez nielicznych znane nazwisko – Alberta Einsteina. A miał wtedy zaledwie 26 lat. Einstein wyciągnął z tego paradoksu bardzo proste i logiczne założenie: z punktu widzenia obserwatora na peronie w poruszającym się wagonie upłynęło mniej czasu, niż zmierzył zegarek na nadgarstku. W wagonie upływ czasu był wolniejszy w porównaniu z czasem na nieruchomej platformie. Z tego założenia logicznie wynikały absolutnie niesamowite rzeczy. Okazało się, że osoba jadąca do pracy tramwajem, w porównaniu do pieszego idącego tą samą drogą, nie tylko oszczędza czas ze względu na prędkość, ale także jedzie dla niego wolniej. Nie próbuj jednak zachować wiecznej młodości w ten sposób: nawet jeśli zostaniesz woźnicą i spędzisz jedną trzecią życia w tramwaju, za 30 lat zyskasz zaledwie jedną milionową sekundy. Aby zysk w czasie stał się zauważalny, trzeba poruszać się z prędkością bliską prędkości światła. Okazuje się, że wzrost prędkości ciał przekłada się na ich masę. Im prędkość ciała jest bliższa prędkości światła, tym większa jest jego masa. Gdy prędkość ciała jest równa prędkości światła, jego masa jest równa nieskończoności, czyli jest większa od masy Ziemi, Słońca, Galaktyki, całego naszego Wszechświata... Tyle może uzyskać masa skoncentruj się w prostym kostce brukowej, rozpędzając ją do prędkości światła! Narzuca to ograniczenie, które nie pozwala żadnemu ciału materialnemu rozwinąć prędkości równej prędkości światła. Przecież w miarę wzrostu masy coraz trudniej jest ją przyspieszyć. A nieskończona masa nie może zostać poruszona ze swojego miejsca żadną siłą. Jednak natura zrobiła bardzo ważny wyjątek od tego prawa dla całej klasy cząstek. Na przykład dla fotonów. Potrafią poruszać się z prędkością światła. Mówiąc dokładniej, nie mogą poruszać się z żadną inną prędkością. Nie do pomyślenia jest wyobrażenie sobie nieruchomego fotonu. Gdy jest nieruchomy, nie ma masy. Neutrina również nie mają masy spoczynkowej, a także są skazane na wieczny, niekontrolowany lot w przestrzeni kosmicznej z maksymalną możliwą w naszym Wszechświecie prędkością, bez wyprzedzania światła i pozostawania za nim. Czyż nie jest prawdą, że każda z wymienionych przez nas konsekwencji szczególnej teorii względności jest zaskakująca i paradoksalna! I każde jest oczywiście sprzeczne ze „zdrowym rozsądkiem”! Ale oto, co ciekawe: nie w ich konkretnej formie, ale jako szerokie stanowisko filozoficzne, wszystkie te zdumiewające konsekwencje przewidzieli twórcy materializmu dialektycznego. Co wskazują te wyniki? O połączeniach łączących energię i masę, masę i prędkość, prędkość i czas, prędkość i długość poruszającego się obiektu. .. Odkrycie przez Einsteina współzależności, niczym cementu (więcej szczegółów :), łączącego ze sobą zbrojenie, czyli kamienie węgielne, połączyło rzeczy i zjawiska, które wcześniej wydawały się od siebie niezależne, i stworzyło fundament, na którym po raz pierwszy w historii nauki, możliwe stało się zbudowanie harmonijnego budynku. Budynek ten jest wyobrażeniem o tym, jak działa nasz Wszechświat. Ale najpierw chociaż kilka słów o ogólnej teorii względności, również stworzonej przez Alberta Einsteina. Alberta Einsteina. To imię jest ogólna teoria teoria względności - nie do końca odpowiada treści teorii, która będzie omawiana. Ustala współzależność przestrzeni i materii. Najwyraźniej bardziej właściwe byłoby to nazwać teoria czasoprzestrzeni, Lub teoria grawitacji. Ale nazwa ta tak bardzo splata się z teorią Einsteina, że ​​nawet podnoszenie kwestii jej zastąpienia wydaje się wielu naukowcom nieprzyzwoite. Ogólna teoria względności ustaliła współzależność pomiędzy materią a czasem i przestrzenią, które ją zawierają. Okazało się, że przestrzeni i czasu nie tylko nie można sobie wyobrazić jako istniejących w oderwaniu od materii, ale ich właściwości zależą także od wypełniającej je materii. Einstein opublikował ogólną teorię względności w 1916 r., a pracował nad nią od 1907 r. Próba przedstawienia tego na kilku stronach bez użycia wzorów matematycznych jest nierealistyczna.

Punkt wyjścia do rozumowania

Dlatego możemy jedynie wskazać punkt wyjścia i przedstawić kilka ważnych wniosków. Najpierw podróż kosmiczna Nieoczekiwana katastrofa zniszczyła bibliotekę, kolekcję filmów i inne magazyny umysłu i pamięci ludzi latających w kosmosie. A natura zostaje zapomniana na przestrzeni wieków planeta domowa. Zapomniano nawet o prawie powszechnego ciążenia, ponieważ rakieta leci w przestrzeni międzygalaktycznej, gdzie prawie tego nie czuć. Jednak silniki statku pracują świetnie, a zapas energii w akumulatorach jest praktycznie nieograniczony. Przez większość czasu statek porusza się dzięki bezwładności, a jego mieszkańcy są przyzwyczajeni do stanu nieważkości. Ale czasami włączają silniki i spowalniają lub przyspieszają ruch statku. Kiedy dysze strumieniowe płoną w pustkę bezbarwnym płomieniem, a statek porusza się z przyspieszoną prędkością, mieszkańcy czują, że ich ciała stają się coraz cięższe, zmuszeni są chodzić po statku, a nie latać po korytarzach. A teraz lot jest bliski ukończenia. Statek leci do jednej z gwiazd i wpada na orbitę najbardziej odpowiedniej planety. Statki kosmiczne wychodzą na zewnątrz, chodzą po pokrytej świeżą zielenią ziemi, nieustannie doświadczając tego samego uczucia ciężkości, znanego z czasów, gdy statek poruszał się w przyspieszonym tempie. Ale planeta porusza się równomiernie. Nie może lecieć w ich stronę ze stałym przyspieszeniem 9,8 m/s2! I mają pierwsze założenie, że pole grawitacyjne (siła grawitacyjna) i przyspieszenie dają ten sam efekt, a być może mają wspólną naturę. Żaden z naszych ziemskich rówieśników nie odbył tak długiego lotu, ale wielu odczuwało zjawisko „ciężaru” i „rozjaśnienia” swojego ciała. Nawet zwykła winda, gdy porusza się w przyspieszonym tempie, stwarza to uczucie. Schodząc w dół odczuwasz nagłą utratę wagi, podczas wchodzenia na górę wręcz przeciwnie, podłoga naciska na nogi z większą niż zwykle siłą. Ale jedno uczucie niczego nie dowodzi. Przecież wrażenia próbują nas przekonać, że Słońce porusza się po niebie wokół nieruchomej Ziemi, że wszystkie gwiazdy i planety znajdują się w tej samej odległości od nas, na firmamencie itp. Naukowcy poddali doznania testom eksperymentalnym. Newton pomyślał także o dziwnej tożsamości tych dwóch zjawisk. Starał się nadać im charakterystykę liczbową. Po zmierzeniu grawitacji i , był przekonany, że ich wartości są zawsze ściśle sobie równe. Wahadła pilotażowej fabryki wykonał z najróżniejszych materiałów: srebra, ołowiu, szkła, soli, drewna, wody, złota, piasku, pszenicy. Wynik był taki sam. Zasada równoważności, o którym mówimy, leży u podstaw ogólnej teorii względności, choć współczesna interpretacja tej teorii nie potrzebuje już tej zasady. Pomijając matematyczne wnioski płynące z tej zasady, przejdźmy od razu do niektórych konsekwencji ogólnej teorii względności. Obecność dużych mas materii ma ogromny wpływ na otaczającą przestrzeń. Prowadzi to do takich zmian w niej, które można określić jako heterogeniczność przestrzeni. Te niejednorodności kierują ruchem wszelkich mas znajdujących się w pobliżu ciała przyciągającego. Zwykle uciekają się do tej analogii. Wyobraź sobie płótno naciągnięte ciasno na ramę równolegle do powierzchni ziemi. Połóż na nim duży ciężar. To będzie nasza duża masa przyciągająca. To oczywiście zagnie płótno i zakończy się pewnego rodzaju depresją. Teraz tocz piłkę po tym płótnie tak, aby część jej ścieżki znajdowała się obok przyciągającej masy. W zależności od sposobu wystrzelenia piłki istnieją trzy możliwe opcje.
  1. Piłka poleci wystarczająco daleko od wgłębienia powstałego w wyniku odkształcenia płótna i nie zmieni swojego ruchu.
  2. Piłka dotknie wgłębienia, a linie jej ruchu zakrzywią się w kierunku przyciągającej masy.
  3. Kula wpadnie do tej dziury, nie będzie mogła się z niej wydostać i wykona jeden lub dwa obroty wokół grawitującej masy.
Czyż nie jest prawdą, że trzecia opcja bardzo pięknie modeluje wychwytywanie przez gwiazdę lub planetę ciała obcego beztrosko wlatującego w ich pole przyciągania? A drugi przypadek to zakrzywienie trajektorii ciała lecącego z prędkością większą niż możliwa prędkość przechwytywania! Pierwszy przypadek przypomina lot poza praktyczny zasięg pola grawitacyjnego. Tak, dokładnie praktyczne, bo teoretycznie pole grawitacyjne jest nieograniczone. Oczywiście jest to bardzo odległa analogia, przede wszystkim dlatego, że nikt tak naprawdę nie jest w stanie wyobrazić sobie odchylenia naszej trójwymiarowej przestrzeni. Nikt nie wie, jakie jest fizyczne znaczenie tego wygięcia, czyli krzywizny, jak często się mówi. Z ogólnej teorii względności wynika, że ​​każde ciało materialne może poruszać się w polu grawitacyjnym tylko po zakrzywionych liniach. Tylko w szczególnych przypadkach krzywa zmienia się w linię prostą. Promień światła również przestrzega tej zasady. Przecież składa się z fotonów, które w locie mają określoną masę. A pole grawitacyjne oddziałuje na niego, podobnie jak na cząsteczkę, asteroidę czy planetę. Kolejnym ważnym wnioskiem jest to, że pole grawitacyjne również zmienia upływ czasu. W pobliżu dużej masy przyciągającej, w wytwarzanym przez nią silnym polu grawitacyjnym, upływ czasu powinien być wolniejszy niż w większej odległości od niej. Widzisz, ogólna teoria względności jest pełna paradoksalnych wniosków, które mogą po raz kolejny obalić nasze idee „zdrowego rozsądku”!

Zapadnięcie grawitacyjne

Porozmawiajmy o niesamowitym zjawisku o charakterze kosmicznym - zapadnięciu się grawitacji (katastrofalnej kompresji). Zjawisko to zachodzi w gigantycznych skupiskach materii, gdzie siły grawitacyjne osiągają tak ogromne wielkości, że żadna inna siła istniejąca w przyrodzie nie jest im w stanie się oprzeć. Pamiętać słynna formuła Newton: im większa siła grawitacji, tym mniejszy kwadrat odległości między grawitującymi ciałami. Zatem im gęstsza staje się formacja materialna, im mniejszy jest jej rozmiar, tym szybciej rosną siły grawitacji, tym bardziej nieuniknione jest ich niszczycielskie objęcie. Istnieje sprytna technika, za pomocą której natura walczy z pozornie nieograniczoną kompresją materii. Aby to zrobić, zatrzymuje sam upływ czasu w sferze działania nadolbrzymów sił grawitacyjnych, a związane masy materii wydają się być wyłączone z naszego Wszechświata, zamrożone w dziwnym, letargicznym śnie. Pierwsza z tych „czarnych dziur” w kosmosie prawdopodobnie została już odkryta. Według założenia radzieckich naukowców O. Kh. Guseinova i A. Sh. Novruzova jest to Delta Gemini – gwiazda podwójna z jednym niewidzialnym składnikiem. Widoczny składnik ma masę 1,8 masy słonecznej, a według obliczeń jego niewidzialny „towarzysz” powinien być czterokrotnie masywniejszy od widzialnego. Ale nie ma po tym śladów: nie można zobaczyć najbardziej niesamowitego dzieła natury, „czarnej dziury”. Radziecki naukowiec profesor K.P. Stanyukovich, jak to się mówi, „na czubku pióra”, poprzez konstrukcje czysto teoretyczne, pokazał, że cząstki „zamrożonej materii” mogą być bardzo zróżnicowane pod względem wielkości.
  • Możliwe są jego gigantyczne formacje, podobne do kwazarów, emitujące w sposób ciągły tyle energii, ile emituje wszystkie 100 miliardów gwiazd naszej Galaktyki.
  • Możliwe są znacznie skromniejsze skupiska, równe zaledwie kilku masom Słońca. Obydwa obiekty mogą same powstać ze zwykłej, nieśpiącej materii.
  • Możliwe są formacje zupełnie innej klasy, porównywalne pod względem masy z cząstkami elementarnymi.
Aby mogły powstać, składająca się z nich materia musi zostać najpierw poddana gigantycznemu ciśnieniu i wepchnięta w granice sfery Schwarzschilda – sfery, w której dla zewnętrznego obserwatora czas całkowicie się zatrzymuje. I nawet jeśli po tym ciśnienie zostanie usunięte, cząstki, dla których czas się zatrzymał, będą nadal istnieć niezależnie od naszego Wszechświata.

Plankeony

Autor hipotezy nazwał takie cząstki na cześć słynnego niemieckiego fizyka Maxa Plancka – plankeonami. Plankeony to zupełnie szczególna klasa cząstek. Mają one, zdaniem K. P. Stanyukovicha, niezwykle interesującą właściwość: przenoszą materię w niezmienionej formie, tak jak miliony i miliardy lat temu. Zaglądając do wnętrza plankeonu, moglibyśmy zobaczyć materię taką, jaka była w chwili narodzin naszego Wszechświata. Według obliczeń teoretycznych we Wszechświecie znajduje się około 10 80 plankeonów, czyli mniej więcej jeden plankeon w sześcianie przestrzeni o boku 10 centymetrów. Nawiasem mówiąc, jednocześnie ze Stanukowiczem i (niezależnie od niego) hipotezę o plankeonach wysunął akademik M.A. Markow. Dopiero Markow nadał im inną nazwę - maksimony. Specyficzne właściwości plankeonów można również wykorzystać do wyjaśnienia czasami paradoksalnych przemian cząstek elementarnych.Wiadomo, że w zderzeniu dwóch cząstek nigdy nie powstają fragmenty, lecz powstają inne cząstki elementarne. To naprawdę niesamowite: w zwykłym świecie rozbijając wazon, nigdy nie dostaniemy całych filiżanek, ani nawet rozet. Załóżmy jednak, że w głębinach każdej cząstki elementarnej ukryty jest plankeon, jeden lub kilka, a czasem wiele plankeonów. W momencie zderzenia cząstek szczelnie związany „worek” plankeonu lekko się otwiera, część cząstek „wpadnie” do niego, a w zamian „wyskoczą” te, które uważamy za powstałe podczas zderzenia. Jednocześnie plankeon, niczym rozważny księgowy, zapewni przestrzeganie wszystkich „praw zachowania” przyjętych w świecie cząstek elementarnych. No cóż, co ma z tym wspólnego mechanizm powszechnej grawitacji? „Odpowiedzialnymi” za grawitację, zgodnie z hipotezą K. P. Stanyukovicha, są maleńkie cząstki, tzw. grawitony, emitowane w sposób ciągły przez cząstki elementarne. Grawitony są od nich o tyle mniejsze, jak pyłek kurzu tańczący w promieniu słońca jest mniejszy od kuli ziemskiej. Emisja grawitonów podlega szeregowi praw. W szczególności łatwiej im latać w ten obszar przestrzeni. Który zawiera mniej grawitonów. Oznacza to, że jeśli w przestrzeni kosmicznej znajdują się dwa ciała niebieskie, oba będą emitować grawitony głównie „na zewnątrz”, w kierunkach przeciwnych do siebie. Tworzy to impuls, który powoduje, że ciała zbliżają się do siebie i przyciągają do siebie. Opuszczając cząstki elementarne, grawitony zabierają ze sobą część masy. Bez względu na to, jak małe są, utrata masy jest z czasem zauważalna. Ale ten czas jest niewyobrażalnie ogromny. Przekształcenie całej materii we Wszechświecie w pole grawitacyjne zajmie około 100 miliardów lat.
Pole grawitacyjne. Ale czy to wszystko? Według K.P. Stanyukovicha około 95 procent masy materii ukryte jest w plankeonach różnej wielkości i znajduje się w stanie letargicznego snu, jednak z biegiem czasu plankeony otwierają się i ilość „normalnej” materii wzrasta.

Zgodnie z prawami Newtona ciało może poruszać się z przyspieszeniem tylko pod wpływem siły. Ponieważ Spadające ciała poruszają się z przyspieszeniem skierowanym w dół, po czym działa na nie siła grawitacji skierowana w stronę Ziemi. Ale nie tylko Ziemia ma tę właściwość, że działa na wszystkie ciała siłą grawitacji. Izaak Newton zasugerował, że pomiędzy wszystkimi ciałami istnieją siły grawitacyjne. Siły te nazywane są siły powszechnej grawitacji Lub grawitacyjny siły.

Po rozszerzeniu ustalonych wzorców - zależności siły przyciągania ciał na Ziemi od odległości między ciałami i uzyskanych w wyniku obserwacji mas ciał oddziałujących - Newton odkrył w 1682 roku. prawo powszechnego ciążenia:Wszystkie ciała przyciągają się, siła powszechnego ciążenia jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas ciał i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi:

Wektory uniwersalnych sił grawitacyjnych są skierowane wzdłuż linii prostej łączącej ciała. Nazywa się współczynnik proporcjonalności G stała grawitacji (uniwersalna stała grawitacji) i jest równe

.

Powaga Siła grawitacji działająca na wszystkie ciała Ziemi nazywa się:

.

Pozwalać
jest masą Ziemi, oraz
– promień Ziemi. Rozważmy zależność przyspieszenia swobodnego spadania od wysokości wzniesienia się nad powierzchnię Ziemi:

Masy ciała. Nieważkość

Masy ciała - siła, z jaką ciało naciska na podporę lub zawieszenie w wyniku przyciągania tego ciała do podłoża. Ciężar ciała przykładany jest do podpory (zawieszenia). Wielkość masy ciała zależy od sposobu poruszania się ciała przy podparciu (zawieszeniu).

Masa ciała, tj. siła, z jaką ciało działa na podporę, oraz siła sprężystości, z jaką podpora działa na ciało, zgodnie z trzecim prawem Newtona, mają taką samą wartość bezwzględną i mają przeciwny kierunek.

Jeżeli ciało spoczywa na poziomej podporze lub porusza się ruchem jednostajnym, działa na nie tylko grawitacja i siła sprężystości podpory, zatem ciężar ciała jest równy grawitacji (ale siły te działają na różne ciała):

.

Przy przyspieszonym ruchu ciężar ciała nie będzie równy sile grawitacji. Rozważmy ruch ciała o masie m pod wpływem grawitacji i sprężystości z przyspieszeniem. Zgodnie z II zasadą Newtona:

Jeżeli przyspieszenie ciała jest skierowane w dół, to ciężar ciała jest mniejszy od siły ciężkości; jeśli przyspieszenie ciała jest skierowane w górę, wówczas wszystkie ciała są większe niż siła ciężkości.

Nazywa się zwiększenie masy ciała spowodowane przyspieszonym ruchem podpory lub zawieszenia przeciążać.

Jeżeli ciało spada swobodnie, to ze wzoru * wynika, że ​​ciężar ciała wynosi zero. Nazywa się zanikiem ciężaru, gdy podpora porusza się z przyspieszeniem swobodnego spadania nieważkość.

Stan nieważkości obserwuje się w samolocie lub statku kosmicznym, gdy porusza się on z przyspieszeniem ziemskim, niezależnie od prędkości jego ruchu. Poza atmosferą ziemską, gdy silniki odrzutowe są wyłączone, na statek kosmiczny działa jedynie siła powszechnej grawitacji. Pod wpływem tej siły statek kosmiczny i wszystkie znajdujące się w nim ciała poruszają się z tym samym przyspieszeniem; dlatego na statku obserwuje się zjawisko nieważkości.

Ruch ciała pod wpływem siły ciężkości. Ruch sztucznych satelitów. Pierwsza prędkość ucieczki

Jeżeli moduł ruchu ciała jest znacznie mniejszy niż odległość do środka Ziemi, wówczas siłę powszechnej grawitacji podczas ruchu możemy uznać za stałą, a ruch ciała za równomiernie przyspieszony. Najprostszym przypadkiem ruchu ciała pod wpływem grawitacji jest spadek swobodny z zerową prędkością początkową. W tym przypadku ciało porusza się z przyspieszeniem swobodnego spadania w kierunku środka Ziemi. Jeżeli prędkość początkowa nie jest skierowana pionowo, wówczas ciało porusza się po zakrzywionym torze (paraboli, jeśli nie uwzględnia się oporu powietrza).

Przy pewnej prędkości początkowej ciało rzucone stycznie do powierzchni Ziemi pod wpływem grawitacji przy braku atmosfery może poruszać się po okręgu wokół Ziemi, nie spadając na nie ani nie oddalając się od niego. Ta prędkość nazywa się pierwsza prędkość ucieczki, a ciało poruszające się w ten sposób jest sztuczny satelita Ziemi (AES).

Wyznaczmy pierwszą prędkość ucieczki dla Ziemi. Jeżeli ciało pod wpływem grawitacji porusza się wokół Ziemi ruchem jednostajnym po okręgu, to przyspieszeniem ziemskim jest jego przyspieszenie dośrodkowe:

.

Zatem pierwsza prędkość ucieczki jest równa

.

W ten sam sposób wyznacza się pierwszą prędkość ucieczki dowolnego ciała niebieskiego. Przyspieszenie grawitacyjne w odległości R od środka ciała niebieskiego można wyznaczyć korzystając z drugiego prawa Newtona i prawa powszechnego ciążenia:

.

W konsekwencji pierwsza prędkość ucieczki w odległości R od środka ciała niebieskiego o masie M jest równa

.

Aby wystrzelić sztucznego satelitę na niską orbitę okołoziemską, należy go najpierw wyjąć z atmosfery. Dlatego statki kosmiczne zacznij pionowo. Na wysokości 200–300 km od powierzchni Ziemi, gdzie atmosfera jest rozrzedzona i nie ma prawie żadnego wpływu na ruch satelity, rakieta wykonuje zakręt i nadaje satelitowi pierwszą prędkość ucieczki w kierunku prostopadłym do pionu .

Pomiędzy dowolnymi ciałami w przyrodzie istnieje siła wzajemnego przyciągania zwana siła powszechnej grawitacji(lub siły grawitacyjne). odkrył Izaak Newton w 1682 r. Mając jeszcze 23 lata, zasugerował, że siły utrzymujące Księżyc na orbicie mają tę samą naturę, co siły, które sprawiają, że jabłko spada na Ziemię.

Powaga (mg) jest skierowany ściśle pionowo do środka ziemi; W zależności od odległości od powierzchni globu przyspieszenie ziemskie jest różne. Na powierzchni Ziemi w średnich szerokościach geograficznych jego wartość wynosi około 9,8 m/s 2 . w miarę oddalania się od powierzchni Ziemi G maleje.

Masa ciała (wytrzymałość ciężaru) – jest siłą, z jaką działa ciałopoziome podparcie lub rozciąga zawieszenie. Zakłada się, że ciało nieruchomy względem podpory lub zawieszenia. Niech ciało leży na poziomym stole nieruchomo względem Ziemi. Oznaczone literą R.

Masa ciała i grawitacja różnią się charakterem: Ciężar ciała jest przejawem działania sił międzycząsteczkowych, a siła ciężkości ma charakter grawitacyjny.

Jeśli przyspieszenie a = 0 , wówczas ciężar jest równy sile, z jaką ciało jest przyciągane do Ziemi, a mianowicie . [P] = N.

Jeśli warunek jest inny, waga się zmienia:

  • jeśli przyspieszenie A nie równe 0 , potem waga P = mg - ma (w dół) lub P = mg + ma (w górę);
  • jeśli ciało spada swobodnie lub porusza się z przyspieszeniem swobodnego spadania, tj. a =G(ryc. 2), wówczas masa ciała jest równa 0 (P=0 ). Nazywa się stan ciała, w którym jego masa wynosi zero nieważkość.

W nieważkość Są też astronauci. W nieważkość Przez chwilę i ty odnajdujesz się, gdy skaczesz podczas gry w koszykówkę lub tańca.

Domowy eksperyment: Plastikowa butelka z otworem na dnie napełniona jest wodą. Wypuszczamy go z rąk z pewnej wysokości. Podczas gdy butelka spada, woda nie wypływa z otworu.

Ciężar ciała poruszającego się z przyspieszeniem (w windzie) Ciało w windzie ulega przeciążeniom

DEFINICJA

Prawo powszechnego ciążenia odkrył I. Newton:

Dwa ciała przyciągają się siłą , wprost proporcjonalną do ich iloczynu i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi:

Opis prawa powszechnego ciążenia

Współczynnik jest stałą grawitacji. W układzie SI stała grawitacyjna ma znaczenie:

Stała ta, jak widać, jest bardzo mała, dlatego siły grawitacyjne pomiędzy ciałami o małych masach również są małe i praktycznie nie odczuwalne. Jednakże ruch ciał kosmicznych jest całkowicie zdeterminowany grawitacją. Obecność powszechnej grawitacji, czyli inaczej oddziaływania grawitacyjnego, wyjaśnia, na czym „wspierana” jest Ziemia i planety oraz dlaczego poruszają się wokół Słońca po określonych trajektoriach, a nie odlatują od niego. Prawo powszechnego ciążenia pozwala nam określić wiele cech ciał niebieskich – masy planet, gwiazd, galaktyk, a nawet czarnych dziur. Prawo to umożliwia obliczenie orbit planet z dużą dokładnością i stworzenie matematycznego modelu Wszechświata.

Korzystając z prawa powszechnego ciążenia, można również obliczyć prędkości kosmiczne. Przykładowo minimalna prędkość, z jaką ciało poruszające się poziomo nad powierzchnią Ziemi nie spadnie na nią, lecz będzie poruszać się po orbicie kołowej, wynosi 7,9 km/s (pierwsza prędkość ucieczki). Aby opuścić Ziemię, tj. aby pokonać przyciąganie grawitacyjne, ciało musi poruszać się z prędkością 11,2 km/s (druga prędkość ucieczki).

Grawitacja jest jednym z najbardziej niesamowitych zjawisk naturalnych. Bez sił grawitacyjnych istnienie Wszechświata byłoby niemożliwe, Wszechświat nie mógłby nawet powstać. Grawitacja odpowiada za wiele procesów zachodzących we Wszechświecie – jego narodziny, istnienie porządku zamiast chaosu. Natura grawitacji wciąż nie jest w pełni poznana. Do tej pory nikomu nie udało się opracować porządnego mechanizmu i modelu oddziaływania grawitacyjnego.

Powaga

Szczególnym przypadkiem przejawu sił grawitacyjnych jest siła grawitacji.

Grawitacja jest zawsze skierowana pionowo w dół (w stronę środka Ziemi).

Jeśli na ciało działa siła ciężkości, to ciało działa. Rodzaj ruchu zależy od kierunku i wielkości prędkości początkowej.

Ze skutkami grawitacji spotykamy się każdego dnia. , po chwili ląduje na ziemi. Książka wypuszczona z rąk spada. Po skoku osoba nie wlatuje otwarta przestrzeń, ale spada na ziemię.

Rozważając swobodny spadek ciała w pobliżu powierzchni Ziemi w wyniku oddziaływania grawitacyjnego tego ciała z Ziemią, możemy napisać:

skąd bierze się przyspieszenie swobodnego spadania:

Przyspieszenie grawitacyjne nie zależy od masy ciała, ale od wysokości ciała nad Ziemią. Kula jest lekko spłaszczona na biegunach, dlatego ciała znajdujące się w pobliżu biegunów znajdują się nieco bliżej środka Ziemi. Pod tym względem przyspieszenie grawitacyjne zależy od szerokości geograficznej obszaru: na biegunie jest nieco większe niż na równiku i innych szerokościach geograficznych (na równiku m/s, na równiku bieguna północnego m/s.

Ten sam wzór pozwala znaleźć przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni dowolnej planety o masie i promieniu.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1 (problem z „ważeniem” Ziemi)

Ćwiczenia Promień Ziemi wynosi km, przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni planety wynosi m/s. Korzystając z tych danych, oszacuj w przybliżeniu masę Ziemi.
Rozwiązanie Przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Ziemi:

skąd bierze się masa Ziemi:

W układzie C promień Ziemi M.

Podstawianie wartości liczbowych do wzoru wielkości fizyczne, oszacujmy masę Ziemi:
Odpowiedź Masa Ziemi kg.

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia Satelita Ziemi porusza się po orbicie kołowej na wysokości 1000 km od powierzchni Ziemi. Z jaką prędkością porusza się satelita? Ile czasu zajmie satelita wykonanie jednego obrotu wokół Ziemi?
Rozwiązanie Według , siła działająca na satelitę z Ziemi jest równa iloczynowi masy satelity i przyspieszenia, z jakim się on porusza:

Na satelitę od strony Ziemi działa siła przyciągania grawitacyjnego, która zgodnie z prawem powszechnego ciążenia jest równa:

gdzie i to odpowiednio masy satelity i Ziemi.

Ponieważ satelita znajduje się na pewnej wysokości nad powierzchnią Ziemi, odległość od niego do środka Ziemi wynosi:

gdzie jest promień Ziemi.