Gravitatea - ce este? Puterea gravitației. Gravitatea Pământului

Oamenii s-au gândit mult de modul în care funcționează lumea din jur. De ce crește iarba, de ce strălucește soarele, de ce nu putem zbura de helip? Acesta din urmă, apropo, a fost întotdeauna de interes special pentru oameni. Acum stim ca motivul pentru totul este gravitatea. Ce este și de ce acest fenomen este atât de important în amploarea universului, vom analiza astăzi.

prodrom

Oamenii de știință au descoperit că toate organismele masive se confruntă cu atracție reciprocă unii cu alții. Ulterior sa dovedit că această forță misterioasă determină mișcarea corpurilor celeste de-a lungul orbitelor lor permanente. Aceeași teorie a gravitației a formulat un strălucit Isaac Newton, ale căror ipoteze au determinat dezvoltarea fizicii timp de mai multe secole. El a dezvoltat și a continuat (deși într-o direcție complet diferită) această învățătură Albert Einstein - una dintre cele mai mari minți ale secolului trecut.

De-a lungul secolelor, oamenii de știință au observat atracția, încercând să o înțeleagă și să o măsoare. În cele din urmă, în ultimele decenii, chiar și un fenomen precum gravitatea a fost pus în slujba omenirii (într-un anumit sens, bineînțeles). Ce este, ce este definiția termenului în știința modernă?

Definirea științifică

Dacă studiați lucrările gânditorilor antice, puteți afla că cuvântul latin "gravitas" înseamnă "greutate", "atracție". Astăzi, oamenii de știință numesc aceasta interacțiunea universală și constantă între corpurile materiale. Dacă această forță este relativ slabă și acționează numai pe obiecte care se mișcă mult mai încet viteza luminii, atunci teoria lui Newton este aplicabilă pentru ei. Dacă situația este inversată, ar trebui folosite concluziile lui Einstein.

Faceți imediat o rezervă: în prezent, însăși natura gravitației nu este pe deplin înțeleasă în principiu. Încă nu știm ce anume este.

Teoriile Newton și Einstein

Conform învățăturilor clasice ale lui Isaac Newton, toate corpurile sunt atrase unul de celălalt cu o forță direct proporțională cu masa lor, invers proporțională cu pătratul distanței care se află între ele. Einstein a susținut că gravitatea între obiecte se manifestă în cazul curburii spațiului și timpului (și curbura spațiului este posibilă numai dacă există în el).

Acest gând a fost foarte profund, dar studiile moderne dovedesc că este oarecum inexactă. Astăzi, se crede că gravitația deformează în spațiu numai spațiu: timp poate încetini și chiar opri, dar realitatea se schimbă forma unei teorii materiei temporare nu a fost confirmată. Prin urmare, ecuația clasică Einstein nu oferă nici măcar o șansă ca spațiul să continue să afecteze materia și câmpul magnetic emergent.

Legea gravitației (gravitația universală) este mai cunoscută, a cărei expresie matematică aparține doar lui Newton:

[F = gamma-frac [-1,2] {m_1 m_2} {r ^ 2} ]

dedesubt gamma- inteles constanta gravitațională (uneori simbolul G), a cărei valoare este egală cu 6,67545 × 10minus-11 msup3 - / (kgmiddot-s²).

Interacțiunea dintre particulele elementare

Complexitatea incredibilă a spațiului înconjurător este în mare parte legată de un număr infinit de particule elementare. Între ele există, de asemenea, diferite interacțiuni la acele nivele, dintre care putem ghici numai. Cu toate acestea, toate tipurile de interacțiuni ale particulelor elementare diferă semnificativ în puterea lor.

Cele mai puternice dintre toate forțele care ne sunt cunoscute sunt componentele nucleului atomic. Pentru a le deconecta, trebuie să cheltuiți o cantitate cu adevărat colosală de energie. În ceea ce privește electronii, ei sunt "legați" de nucleu doar de obișnuiți interacțiune electromagnetică. Pentru al opri, uneori suficientă energie care apare ca urmare a celei mai uzuale reacții chimice. Gravitația (ceea ce este, știți deja) în versiunea atomilor și a particulelor subatomice este cea mai ușoară fel de interacțiune.

Câmpul gravitațional în acest caz este atât de slab încât este greu de imaginat. Ciudat cum pare, mișcarea corpurilor celeste, a cărei masă este uneori imposibil de imaginat, este "privită" de ei. Toate acestea sunt posibile datorită a două caracteristici ale gravitației, care sunt deosebit de pronunțate în cazul corpurilor fizice mari:

• Spre deosebire de forțele atomice, atracția gravitațională este mai perceptibilă la distanță față de obiect. Deci, gravitatea Pământului păstrează chiar și Luna în câmpul său, iar puterea similară a lui Jupiter susține cu ușurință orbitele mai multor sateliți, masa fiecăruia fiind destul de comparabilă cu cea a terestru!
• În plus, oferă întotdeauna o atracție între obiecte, iar distanța la care această forță slăbește la o viteză mică.

Formarea unei teorii mai mult sau mai puțin coerente de greutate este relativ recentă, și este, ca urmare a observațiilor vechi de secole ale mișcării planetelor și a altor corpuri ceresti. Sarcina a fost mult facilitată de faptul că toți se mișcă într-un vid, unde pur și simplu nu există alte posibile interacțiuni. Galileo și Kepler - doi astronomi remarcabili de atunci, cu observațiile lor valoroase, au ajutat la pregătirea terenului pentru noi descoperiri.

Dar numai marele Isaac Newton a reușit să creeze prima teorie a gravitației și să o exprime în reprezentarea matematică. Aceasta a fost prima lege a gravitației, a cărei reprezentare matematică este prezentată mai sus.

Concluziile lui Newton și ale unora dintre predecesorii săi

Spre deosebire de alte fenomene fizice care există în lumea din jurul nostru, gravitatea se manifestă întotdeauna și peste tot. Trebuie să se înțeleagă că termenul „gravitație zero“, care este adesea găsit în cercurile pseudo-științifice, nu este corect: chiar imponderabilitate în spațiu nu înseamnă că o persoană sau o navă spațială nu este atracția validă a unui obiect masiv.

În plus, toate corpurile materiale au o anumită masă, exprimată sub forma forței care le-a fost aplicată, și accelerația obținută prin această acțiune.

Astfel, forțele de gravitație sunt proporționale cu masa obiectelor. În sens numeric, ele pot fi exprimate prin obținerea produsului maselor ambelor corpuri considerate. Această forță este strict supusă dependenței inverse de pătratul distanței dintre obiecte. Toate celelalte interacțiuni depind complet de distanțele dintre cele două corpuri.

Mass ca piatra de temelie a teoriei

Masa obiectelor a devenit un punct controversat special, în jurul căruia este construită întreaga teorie modernă a gravitației și relativității lui Einstein. Dacă vă aduceți aminte de cel de-al doilea Legea lui Newton, probabil știți că masa este o caracteristică indispensabilă a oricărui corp material fizic. Arată modul în care obiectul se va comporta dacă se aplică forța, indiferent de originea sa.

Deoarece toate corpurile (în conformitate cu Newton) sunt accelerate de acțiunea forțelor exterioare, masa determină cât de mare va fi această accelerație. Să luăm în considerare un exemplu mai ușor de înțeles. Imaginați-vă un scooter și un autobuz: dacă aplicați absolut aceeași forță pentru ei, ei vor ajunge la viteze diferite pentru același timp. Toate acestea explică teoria gravitației.

Care este relația dintre masă și atracție?

Dacă vorbim despre gravitate, atunci masa în acest fenomen joacă un rol complet diferit față de ceea ce joacă în ceea ce privește forța și accelerarea obiectului. Este sursa primară a atracției în sine. Dacă luați două corpuri și vedeți cu ce putere atrag cel de-al treilea obiect, care se află la distanțe egale față de primele două, atunci raportul tuturor forțelor va fi egal cu raportul dintre masele primelor două obiecte. Astfel, forța de atracție este direct proporțională cu masa corpului.

Dacă luați în considerare Legea a treia a lui Newton, puteți fi siguri că spune exact același lucru. Forța gravitațională, care acționează asupra a două corpuri situate la o distanță egală de sursa de atracție, depinde direct de masa acestor obiecte. În viața de zi cu zi vorbim despre forța cu care corpul este atras de suprafața planetei, ca greutate.

Să însumăm câteva rezultate. Deci, masa este strâns legată de forță și accelerare. În același timp, ea determină forța cu care atracția va acționa asupra corpului.

Caracteristicile accelerației corpurilor într-un câmp gravitațional

Această dualitate uimitoare este motivul pentru care, în același câmp gravitațional, accelerarea obiectelor complet diferite va fi egală. Să presupunem că avem două cadavre. Noi atribuim unuia dintre ei o masă z, iar alta - Z. Ambele obiecte sunt aruncate la pământ, unde cad în mod liber.

Cum se determină raportul dintre forțele de atracție? Acesta prezintă cea mai simplă formulă matematică - z / Z. Aceasta este doar accelerația pe care o primesc ca urmare a acțiunii forței de atracție, va fi exact aceeași. Pur și simplu, accelerația pe care corpul o are în câmpul gravitațional nu depinde de proprietățile sale.

Ce determină accelerarea în acest caz?

Depinde doar de (!) Masa obiectelor care creează acest câmp, precum și poziția lor spațială. Rolul dual al masei și accelerația egală a diferitelor corpuri în câmpul gravitațional au fost descoperite pentru o perioadă relativ lungă de timp. Aceste fenomene au primit următorul titlu: "Principiul echivalenței". Acest termen accentuează încă o dată faptul că accelerația și inerția sunt adesea echivalente (într-o anumită măsură, desigur).

Importanța lui G

ne amintim de la curs de fizica școală, că accelerația gravitațională la suprafața planetei noastre (gravitația Pământului) este de 10 m / sek.² (9.8 desigur, dar această valoare este folosită pentru ușurința de calcul). Astfel, dacă nu luăm în considerare rezistența aerului (la o înălțime semnificativă, cu o mică distanță de picătură), atunci efectul se va obține când corpul obține o creștere de accelerație de 10 m / sec. în fiecare secundă. Deci, cartea care a căzut de la etajul al doilea al casei, până la sfârșitul zborului său se va deplasa cu o viteză de 30-40 m / sec. Pur și simplu puneți, 10 m / s este "viteza" gravitației în interiorul Pământului.

Accelerarea caderii libere în literatura fizică este marcată cu litera "g". Deoarece forma Pământului, într-o oarecare măsură, mai mult ca un mandarin decât o minge, valoarea acestei magnitudini este departe de aceeași în toate regiunile sale. Astfel, la stalpii accelerația este mai mare, iar la vârfurile munților înalți devine mai mică.

Chiar și în industria extractivă, nu cel puțin rolul este jucat de gravitate. Fizica acestui fenomen poate salva uneori o mulțime de timp. Astfel, geologii sunt interesați în mod deosebit de o determinare ideală a g, deoarece aceasta permite explorarea și descoperirea depozitelor de minerale cu o precizie excepțională. Apropo, ce arăta formula de gravitate în care cantitatea considerată de noi joacă un rol important? Aici este:

F = G × M1 × M2 / R2

Fiți atenți! În acest caz, formula gravitațională implică o "constantă gravitațională" sub G, valoarea pe care am dat-o deja mai sus.

La un moment dat, Newton a formulat principiile de mai sus. El a înțeles perfect atât unitatea, cât și universalitatea forța gravitațională, dar el nu a putut descrie toate aspectele acestui fenomen. Această onoare a căzut și lui Albert Einstein, care putea explica și principiul echivalenței. Pentru el omenirea este obligată prin înțelegerea modernă a naturii însăși a continuumului spațiu-timp.

Teoria relativității, lucrarea lui Albert Einstein

În timpul lui Isaac Newton credea că punctul de plecare poate fi reprezentat sub forma unor „tije“ dure, prin care poziția instalată a corpului în spațială sistem de coordonate. În același timp, sa presupus că toți observatorii, care va remarca aceste coordonate vor fi în același spațiu de timp. În acei ani, această situație a fost considerată atât de evidentă încât a fost făcută nici o încercare de a contesta sau de a adăuga la acesta. Acest lucru este de înțeles, deoarece limitele planetei noastre nu exista abateri de la această regulă nr.

Einstein a demonstrat că precizia măsurării ar fi cu adevărat semnificativă dacă ceasul ipotetic se mișcă mult mai încet decât viteza luminii. Pur și simplu, dacă un observator care se mișcă mai încet decât viteza luminii va urma două evenimente, acestea vor apărea pentru el la un moment dat. În consecință, pentru cel de-al doilea observator? a căror viteză este aceeași sau mai mare, evenimentele pot apărea la momente diferite.

Dar cum este legată forța gravitației de teoria relativității? Vom extinde această întrebare în detaliu.

Legătura dintre teoria relativității și forțele gravitaționale

În ultimii ani, o mare cantitate de descoperiri au fost făcute în domeniul particulelor subatomice. O convingere crescândă că suntem pe cale de a găsi particula finală, dincolo de care lumea noastră nu poate fi zdrobit. Devine nevoie mai insistent să știe exact cum să influențeze mici „cărămizi“ din universul nostru sunt forțe fundamentale care au fost descoperite în ultimul secol, și chiar mai devreme. Este deosebit de insultător faptul că însăși natura gravitației nu a fost încă explicată.

Acesta este motivul pentru care, după Einstein, care a stabilit „incapacitatea“ a mecanicii newtoniene clasice în zona în cauză, cercetatorii au axat pe o regândire completă a datelor obținute anterior. În multe feluri, revizuirea a fost supus, gravitatea. Ceea ce este la nivelul particulelor subatomice? Are cel puțin o valoare în această lume uimitoare multi-dimensionale?

O soluție simplă?

La început, mulți au considerat că gravitatiei diferența Newton și teoria relativității poate fi explicată destul de simplu, o analogie de la electrodinamicii. Ar fi posibil să se presupună că câmpul gravitațional se raspandeste ca un câmp magnetic, după care este posibil să se declare un „mediator“ în interacțiunile corpurilor cerești, explicând multe inconsistențele vechi și noua teorie. Faptul este că, atunci ar fi considerat viteza relativă de propagare a forțelor au fost semnificativ mai mici de lumină. Deci, cum se referă gravitatea și timpul?

În principiu, el însuși a reușit aproape să construiască o teorie relativistă pe baza unor astfel de opinii, dar numai o circumstanță a împiedicat intenția sa. Niciunul dintre oamenii de știință de atunci nu a avut deloc informații care să poată determina "viteza" gravitației. Dar au fost multe informații legate de mișcările maselor mari. După cum știți, ele erau sursa universal recunoscută de apariție a câmpurilor gravitaționale puternice.

Vitezele mari afectează puternic masele de corpuri, ceea ce nu este deloc similar interacțiunii dintre viteză și încărcare. Cu cât este mai mare viteza, cu atât este mai mare masa corpului. Problema este că această din urmă valoare ar deveni automat infinită în cazul mișcării cu viteza luminii sau mai mare. Și astfel, Einstein a concluzionat că nu există un câmp gravitațional, ci un câmp tensor, pentru descrierea căruia ar trebui folosite multe alte variabile.

Adepții săi au ajuns la concluzia că gravitatea și timpul nu au nicio legătură. Faptul este că acest câmp de tensori însuși poate acționa în spațiu, dar pentru un timp nu poate afecta. Totuși, fizica genială a modernității lui Stephen Hawking are un alt punct de vedere. Dar asta eo altă poveste ...