Ньютон сила притяжения. Что такое закон всемирного тяготения: формула великого открытия
На склоне своих лет рассказал о том, как он открыл закон всемирного тяготения .
Когда молодой Исаак гулял в саду среди яблонь в поместье своих родителей, он увидел луну в дневном небе. И рядом с ним упало яблоко на землю, сорвавшись с ветки.
Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. И знал, что Луна не просто находится на небе, а вращается вокруг Земли по орбите, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Вот тут и пришла ему идея о том, что, возможно, одна и та же сила заставляет яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите.
До Ньютона ученые считали, что имеются два типа гравитации: земная гравитация (действующая на Земле) и небесная гравитация (действующая на небесах). Такое представление прочно закрепилось в сознании людей того времени.
Прозрение Ньютона заключалось в том, что он объединил эти два типа гравитации в своем сознании. С этого исторического момента искусственное и ложное разделение Земли и остальной Вселенной прекратило свое существование.
Так и был открыт закон всемирного тяготения, который является одним из универсальных законов природы. Согласно закону, все материальные тела притягивают друг друга, причём величина силы тяготения не зависит от химических и физических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела. Тяготение на Земле проявляется, прежде всего, в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землёй. С этим связан термин «гравитация» (от лат. gravitas - тяжесть) , эквивалентный термину «тяготение».
Закон тяготения гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее о ней размышляли Гюйгенс, Роберваль, Декарт, Борелли, Кеплер, Гассенди, Эпикур и другие.
По предположению Кеплера, тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире.
Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния, но до Ньютона никто так и не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).
В своём основном труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.)
Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах Кеплера, известных к тому времени.
Он показал, что:
- наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
- обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.
В отличие от гипотез предшественников, теория Ньютона имела ряд существенных отличий. Сэр Исаак опубликовал не только предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель:
- закон тяготения;
- закон движения (второй закон Ньютона);
- система методов для математического исследования (математический анализ).
В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики.
Но Исаак Ньютон оставил открытым вопрос о природе тяготения. Не было объяснено также и предположение о мгновенном распространении тяготения в пространстве (т. е. предположение о том, что с изменением положений тел мгновенно изменяется и сила тяготения между ними), тесно связанное с природой тяготения. На протяжении более двухсот лет после Ньютона физики предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской теории тяготения. Только в 1915 году эти усилия увенчались успехом созданием общей теории относительности Эйнштейна , в которой все указанные трудности были преодолены.
Я решил по мере сил и возможностей подробнее остановиться на освещении научного наследия академика Николая Викторовича Левашова , потому что вижу, что его работы сегодня ещё не пользуются тем спросом, каким они должны были бы пользоваться в обществе действительно свободных и разумных людей. Люди ещё не понимают ценности и важности его книг и статей, потому что не догадываются о степени обмана, в котором мы живём последние пару веков; не понимают, что сведения о природе, которые мы считаем привычными и поэтому истинными, являются ложными на 100% ; и навязаны они нам намеренно, чтобы скрыть правду и не дать нам развиваться в правильном направлении…
Закон всеобщего тяготения
А зачем нам разбираться с этой гравитацией? Разве мы о ней чего-то ещё не знаем. Ну что вы! Мы уже очень много знаем о гравитации! Например, Википедия любезно сообщает нам, что «Гравитация (притяжение , всемирное , тяготение ) (от лат. gravitas – «тяжесть») – универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна…» Т.е. проще говоря, эта Интернет-болтушка сообщает, что гравитация – это взаимодействие между всеми материальными телами, а ещё проще говоря – взаимное притяжение материальных тел друг к другу.
Появлению такого мнения мы обязаны тов. Исааку Ньютону, которому приписывают открытие в 1687 году «Закона всеобщего тяготения» , по которому все тела якобы притягиваются друг к дружке пропорционально их массам и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Радует уже то, что тов. Исаак Ньютон описан в Педии, как высокообразованный учёный, не в пример тов. , которому приписывают открытие электричества …
Интересно взглянуть на размерность «Силы притяжения» или «Силы тяжести», которая вытекает из тов. Исаака Ньютона, имеющего следующий вид: F = m 1 * m 2 / r 2
В числителе стоит произведение масс двух тел. Это даёт размерность «килограммы в квадрате» – кг 2 . В знаменателе стоит «расстояние» в квадрате, т.е. метры в квадрате – м 2 . Но ведь сила-то измеряется не в странных кг 2 /м 2 , а в не менее странных кг*м/с 2 ! Получается нестыковочка. Чтобы её убрать, «учёные» придумали коэффициент, т.н. «гравитационную постоянную» G , равную примерно 6,67545×10 −11 м³/(кг·с²) . Если теперь всё перемножить, получим правильную размерность «Силы тяжести» в кг*м/с 2 , и вот эта абракадабра носит в физике название «ньютон» , т.е. сила в сегодняшней физике измеряется в « ».
А интересно: какой физический смысл имеет коэффициент G , для чего-то уменьшающий результат в 600 миллиардов раз? Никакого! «Учёные» назвали его «коэффициентом пропорциональности». А ввели его для подгонки размерности и результата под наиболее желательный! Вот такая у нас наука на сегодняшний день… Надо отметить, что, для запутывания учёных и сокрытия противоречий, в физике несколько раз менялись системы измерений – т.н. «системы единиц» . Вот названия некоторых из них, сменявших друг друга, по мере возникновения необходимости создания очередных маскировок: МТС, МКГСС, СГС, СИ…
Интересно было бы спросить у тов. Исаака: а как он догадался , что существует природный процесс притягивания тел друг к другу? Как он догадался , что «Сила притяжения» пропорциональна именно произведению масс двух тел, а не их сумме или разности? Каким образом он так удачно постиг, что эта Сила обратно пропорциональна именно квадрату расстояния между телами, а не кубу, удвоению или дробной степени? Откуда у тов. появились такие необъяснимые догадки 350 лет назад? Ведь никаких опытов в этой области он не проводил! И, если верить традиционной версии истории, в те времена даже линейки были ещё не совсем ровные, а тут такая необъяснимая, просто фантастическая прозорливость! Откуда ?
Да ниоткуда ! Тов. Исаак ни о чём таком не догадывался и ничего подобного не исследовал и не открывал . Почему? Потому что в действительности физического процесса «притяжения тел» друг к другу не существует, и, соответственно, не существует и Закона, который бы описывал этот процесс (это ниже будет убудительно доказано)! В реальности тов. Ньютону в нашем невнятном, просто приписали открытие закона «Всемирного тяготения», попутно наградив его званием «одного из создателей классической физики»; точно так же, как в своё время приписали тов. Бене Франклину , который имел 2 класса образования. В «Средневековой Европе» и не такое бывало: там не только с науками, но и просто с жизнью была большая напряжёнка…
Но, на наше счастье, в конце прошлого века, русский учёный Николай Левашов написал несколько книг, в которых дал «алфавит и грамматику» неискажённых знаний ; вернул землянам уничтоженную ранее научную парадигму, с помощью которой легко объяснил практически все «неразрешимые» загадки земной природы; объяснил основы строения Мироздания; показал, при каких условиях на всех планетах, на которых появляются необходимые и достаточные условия, возникает Жизнь – живая материя. Растолковал, какая именно материя может считаться живой, и каков физический смысл природного процесса под название «жизнь ». Далее пояснил, когда и при каких условиях «живая материя» обретает Разум , т.е. осознаёт своё существование – становится разумной. Николай Викторович Левашов передал людям в своих книгах , и фильмах очень много неискажённых знаний . В том числе, он объяснил и что такое «гравитация» , откуда она берётся, как действует, каков в действительности её физический смысл. Больше всего об этом написано в книгах и . А теперь разберёмся с «Законом всемирного тяготения»…
«Закон всемирного тяготения» – выдумка!
Почему я так смело и уверенно критикую физику, «открытие» тов. Исаака Ньютона и сам «великий» «Закон всемирного тяготения»? Да потому что этот «Закон» – выдумка! Обман! Фикция! Афёра всемирного масштаба, чтобы увести земную науку в тупик! Такая же афёра с теми же целями, как и пресловутая «Теория относительности» тов. Эйнштейна.
Доказательства? Извольте, вот они: очень точные, строгие и убедительные. Их великолепно описал автор О.Х. Деревенский в своей замечательной статье . Ввиду того, что статья довольно объёмная, я приведу здесь очень краткий вариант некоторых доказательств ложности «Закона всемирного тяготения», а граждане, интересующиеся подробностями, остальное дочитают уже сами.
1. В нашей Солнечной системе гравитацией обладают только планеты и Луна – спутник Земли. Спутники же остальных планет, а их более шести десятков, гравитацией не обладают! Эта информация совершенно открытая, но не афишируемая «учёным» людом, потому что необъяснима с точки зрения их «науки». Т.е. бо льшая часть объектов нашей Солнечной системы гравитацией не обладают – не притягиваются друг к другу! И это начисто опровергает «Закон всеобщего тяготения».
2. Опыт Генри Кавендиша по притягиванию массивных болванок друг к другу считается неопровержимым доказательством наличия притяжения между телами. Однако, несмотря на его простоту, этот опыт нигде открыто не воспроизводится. Видимо, потому, что он не даёт того эффекта, о котором когда-то объявили некие люди. Т.е. сегодня, при возможности строгой проверки, опыт не показывает никакого притяжения между телами!
3. Вывод искусственного спутника на орбиту вокруг астероида. В середине февраля 2000 года американцы подогнали космический зонд NEAR достаточно близко к астероиду Эрос , уровняли скорости и стали ждать захвата зонда тяготением Эроса , т.е. когда спутник мягко притянется тяготением астероида.
Но первое свидание почему-то не заладилось. Вторая и последующие попытки отдаться Эросу имели ровно такой же эффект: Эрос не возжелал притянуть к себе американский зонд NEAR , а без подработки двигателем, зонд вблизи Эроса не держался. Это космическое свидание так и закончилось ничем. Т.е. никакого притяжения между зондом с массой 805 кг и астероидом массой более 6 триллионов тонн обнаружить не удалось.
Здесь нельзя не отметить ничем не объяснимое упорство американцев из НАСА, ведь русский учёный Николай Левашов , проживая в то время в США, которые он тогда считал вполне нормальной страной, написал, перевёл на английский язык и издал в 1994 году свою знаменитую книгу , в которой «на пальцах» объяснил всё, что нужно было знать специалистам из НАСА, чтобы их зонд NEAR не болтался безполезной железкой в Космосе, а принёс хоть какую-нибудь пользу обществу. Но, видимо, непомерное самомнение сыграло свою шутку с тамошними «учёными».
4. Следующую попытку повторить эротический эксперимент с астероидом взялись японцы . Они выбрали астероид под названием Итокава , и направили 9 мая 2003 года к нему зонд под названием («Сокол»). В сентябре 2005 года зонд приблизился к астероиду на расстояние 20 км.
Учтя опыт «тупых американцев», умные японцы свой зонд оснастили несколькими движками и автономной системой ближней навигации с лазерными дальномерами, так что он мог сближаться с астероидом и двигаться около него автоматически, без участия наземных операторов. «Первым номером этой программы оказался комедийный трюк с высадкой небольшого исследовательского робота на поверхность астероида. Зонд снизился на расчётную высоту и аккуратненько сбросил робота, который должен был медленно и плавно упасть на поверхность. Но… не упал. Медленно и плавно его понесло куда-то вдаль от астероида . Там и пропал без вести… Следующим номером программы оказался, опять же, комедийный трюк с кратковременной посадкой зонда на поверхность «для взятия пробы грунта». Комедийным он вышел оттого, что, для обеспечения наилучшей работы лазерных дальномеров, на поверхность астероида был сброшен отражающий шар-маркер. На этом шаре тоже движков не было и… короче, на положенном месте шара не оказалось… Так что сел ли японский «Сокол» на Итокаву, и что он на ней делал, если сел, – науке неизвестно…» Вывод: японская чуда Хаябуса не смогла обнаружить никакого притяжения между зондом массой 510 кг и астероидом массой 35 000 тонн.
Отдельно хочется заметить, что исчерпывающее объяснение природе гравитации русский учёный Николай Левашов дал в своей книге , которую впервые издал в 2002 году – почти за полтора года до старта японского «Сокола». И, несмотря на это, японские «учёные» пошли точно по стопам своих американских коллег и тщательно повторили все их ошибки, включая посадку. Вот такая интересная преемственность «научного мышления»…
5. Откуда берутся приливы? Очень интересное явление, описываемое в литературе, мягко выражаясь, не совсем корректно. «…Есть учебники по физике , где написано, каковы должны быть – в согласии с «законом всемирного тяготения». А ещё есть учебники по океанографии , где написано, каковы они, приливы, на самом деле .
Если закон всемирного тяготения здесь действует, и океанская вода притягивается, в том числе, к Солнцу и к Луне, то «физическая» и «океанографическая» картины приливов должны совпадать. Так совпадают они или нет? Оказывается: сказать, что они не совпадают – это ещё ничего не сказать. Потому что «физическая» и «океанографическая» картины вообще не имеют между собой ничего общего … Фактическая картина приливных явлений настолько сильно отличается от теоретической – и качественно, и количественно – что на основе такой теории предвычислять приливы невозможно . Да никто и не пытается это делать. Не сумасшедшие ведь. Делают вот как: для каждого порта или иного пункта, который представляет интерес, динамику уровня океана моделируют суммой колебаний с амплитудами и фазами, которые находят чисто эмпирически . А затем экстраполируют эту сумму колебаний вперёд – вот вам и получаются предвычисления. Капитаны судов довольны – ну и ладушки!..» Это всё означает, что наши земные приливы тоже не подчиняются «Закону всемирного тяготения».
Что такое гравитация в действительности
Настоящую природу гравитации впервые в новейшей истории внятно описал академик Николай Левашов в фундаментальном научном труде . Чтобы читатель лучше мог понять написанное касательно гравитации, дам небольшое предварительное пояснение.
Пространство вокруг нас не является пустым. Оно всё полностью заполнено множеством различных материй, которые академик Н.В. Левашов назвал «первоматериями» . Раньше учёные всё это буйство материй называли «эфиром» и даже получили убедительные доказательства его существования (известные опыты Дайтона Миллера, описанные в статье Николая Левашова «Теория Вселенной и объективная реальность»). Современные «учёные» пошли гораздо дальше и теперь они «эфир» называют «тёмной материей» . Колоссальный прогресс! Некоторые материи в «эфире» взаимодействуют между собой в той или иной степени, некоторые – нет. А какие-то первоматерии начинают взаимодействовать между собой, попадая в изменённые внешние условия в тех или иных искривлениях пространства (неоднородностях).
Искривления пространства появляются в результате различных взрывов, в том числе и «взрывов сверхновых». « При взрыве сверхновой, возникают колебания мерности пространства, аналогичные волнам, которые появляются на поверхности воды после броска камня. Массы материи, выброшенные при взрыве, заполняют эти неоднородности мерности пространства вокруг звезды. Из этих масс материи начинают образовываться планеты ( и )…»
Т.е. планеты образуются не из космического мусора, как почему-то утверждают современные «учёные», а синтезируются из материи звёзд и других первоматерий, начинающих взаимодействовать между собой в подходящих неоднородностях пространства и образующих т.н. «гибридные материи» . Вот из этих «гибридных материй» образуются и планеты, и всё остальное в нашем пространстве. Наша планета , так же, как и остальные планеты, является не просто «куском камня», а весьма непростой системой, состоящей из нескольких сфер, вложенных одна в другую (см. ). Самая плотная сфера называется «физически плотным уровнем» – это видимый нами, т.н. физический мир. Вторая по плотности сфера чуть большего размера – это т.н. «эфирный материальный уровень» планеты. Третья сфера – «астральный материальный уровень». Четвёртая сфера – «первый ментальный уровень» планеты. Пятая сфера – «второй ментальный уровень» планеты. И шестая сфера – «третий ментальный уровень» планеты.
Наша планета должна рассматриваться только как совокупность этих шести сфер – шести материальных уровней планеты, вложенных одна в другую. Только в этом случае можно получить полноценное представление о строении и свойствах планеты и о процессах, происходящих в природе. То, что мы пока не в состоянии наблюдать процессы, происходящие вне физически плотной сферы нашей планеты, свидетельствует не о том, что «там ничего нет», а лишь о том, что в настоящее время наши органы чувств не приспособлены природой для этих целей. И ещё: наша Вселенная, наша планета Земля и всё остальное в нашей Вселенной образовано из семи различных видов первоматерий, слившихся в шесть гибридных материй. И это не является ни божественным, ни уникальным явлением. Это просто качественная структура нашей Вселенной, обусловленная свойствами неоднородности, в которой она образовалась.
Продолжим: планеты образуются при слиянии соответствующих первоматерий в областях неоднородностей пространства, имеющих подходящие для этого свойства и качества. Но в эти, как и во все остальные, области пространства попадает огромное число первоматерий (свободных форм материй) различных видов, не взаимодействующих или очень слабо взаимодействующих с гибридными материями. Попадая в область неоднородности, многие из этих первоматерий подвергаются воздействию этой неоднородности и устремляются к её центру, в соответствии с градиентом (перепадом) пространства. И, если в центре этой неоднородности уже образовалась планета, то первоматерии, двигаясь к центру неоднородности (и центру планеты), создают собой направленный поток , который и создаёт т.н. гравитационное поле . И, соответственно, под гравитацией нам с вами нужно понимать воздействие направленного потока первоматерий на всё, находящееся на его пути. Т.е., проще говоря, гравитация – это прижимание материальных объектов к поверхности планеты потоком первоматерий.
Не правда ли, реальность весьма сильно отличается от выдуманного закона «взаимного притяжения», якобы существующего везде по никому не понятной причине. Реальность гораздо интереснее, гораздо сложнее и гораздо проще, одновременно. Потому физику реальных природных процессов понять гораздо легче, чем выдуманных. И использование реальных знаний ведёт к реальным открытиям и эффективному использованию этих открытий, а не к высосанным из пальца .
Антигравитация
В качестве примера сегодняшней научной профанации можно кратко проанализировать объяснение «учёными» того факта, что «лучи света искривляются вблизи больших масс», и поэтому мы можем видеть то, что закрыто он нас звёздами и планетами.
Действительно, мы можем наблюдать в Космосе объекты, скрытые от нас другими объектами, но это явление не имеет никакого отношения к массам объектов, потому что явления «всемирного » не существует, т.е. ни звёзды, ни планеты НЕ притягивают к себе никакие лучи и не искривляют их траекторию! А, почему же тогда они «искривляются»? На этот вопрос есть очень простой и убедительный ответ: лучи не искривляются ! Просто они распространяются не по прямой , как мы привыкли понимать, а в соответствии с формой пространства . Если мы рассматриваем луч, проходящий возле большого космического тела, то надо иметь в виду, что луч огибает это тело, потому что вынужден следовать по искривлению пространства, как по дороге соответствующей формы. И другого пути у луча просто не существует. Луч не может не огибать это тело, потому что пространство в этом районе имеет вот такую искривлённую форму… Небольшая к сказанному.
Теперь, возвращаясь к антигравитации , становится понятно, почему Человечеству никак не удаётся поймать эту противную «антигравитацию» или достичь хоть чего-нибудь из того, что показывают нам по телевизору ловкие функционеры фабрики грёз. Нас специально заставляют уже больше сотни лет почти везде использовать двигатели внутреннего сгорания или реактивные двигатели, хотя они очень далеки от совершенства и по принципу действия, и по конструкции, и по эффективности. Нас специально заставляют добывать , используя различные генераторы циклопических размеров, а потом передавать эту энергию по проводам, где бо льшая её часть рассеивается в пространстве! Нас специально заставляют жить жизнью неразумных существ, поэтому мы не имеем никаких оснований для удивления тому, что у нас ничего толкового не получается ни в науке, ни в технике, ни в экономике, ни в медицине, ни в организации достойной жизни социума.
Я сейчас вам приведу несколько примеров создания и использования антигравитации (она же левитация) в нашей жизни. Но эти способы достижения антигравитации являются, скорее всего, случайно обнаруженными. А для того, чтобы сознательно создать действительно полезное устройство, реализующее антигравитацию, нужно познать реальную природу явления гравитации, изучить его, проанализировать и понять всю его суть! Только тогда можно создать нечто толковое, эффективное и действительно полезное обществу.
Самое распространённое у нас устройство, использующее антигравитацию, это воздушный шарик и многочисленные его вариации. Если его наполнить тёплым воздухом или газом, более лёгким, чем атмосферная газовая смесь, то шарик будет стремиться улететь вверх, а не опуститься вниз. Этот эффект известен людям очень давно, но до сих пор не имеет исчерпывающего объяснения – такого, которое уже не порождало бы новых вопросов.
Недолгий поиск в Ютюбе привёл к обнаружению большого числа видеороликов, на которых демонстрируются вполне реальные примеры антигравитации. Некоторые из них я перечислю здесь, чтобы вы смогли убедиться, что антигравитация (левитация ) действительно существует, но… до сих пор никем из «учёных» не объяснена, видимо, гордость не позволяет…
В 1665-1666 годах в Лондоне свирепствовала чума, и Ньютон много времени проводил на ферме в Вулсторпе. Ему было всего 24 года, но историки считают, что именно в это время Ньютон задумался о причинах тяжести, а следовательно, и о движениях планет и их спутников. Мысли эти привели его к созданию великого закона всемирного тяготения...
Закон всемирного тяготения сегодня известен каждому школьнику. Знают все и анекдот об упавшем яблоке, которое якобы явилось причиной открытия великого закона.
Но как связать падение яблока со всемирным тяготением?..
Рассказ о яблоке имеет некоторую степень достоверности. Современник Ньютона Стекелей писал в конце жизни: «После обеда погода была жаркая; мы перешли в сад и пили чай под тенью нескольких яблонь; были только мы вдвоем. Между прочим, сэр Исаак сказал мне, что точно в такой же обстановке он находился, когда впервые ему пришла в голову мысль о тяготении. Она была вызвана падением яблока, когда он сидел, погрузившись в думы. Почему яблоко всегда падает отвесно, подумал он про себя, почему не в сторону, а всегда к центру Земли? Должна существовать притягательная сила в материи, сосредоточенная в центре Земли. Если материя та тянет другую материю, то должна существовать пропорциональность ее количеству. Должна, следовательно, существовать сила, подобная той, которую мы называем тяжестью, простирающаяся по всей Вселенной...»
«Этот рассказ мало кому был известен, - пишет академик Вавилов, - но зато весь мир узнал похожий на анекдот пересказ Вольтера, слыхавшего об этом случае от племянницы Ньютона». Вольтеровский анекдот имел успех. А вскоре после смерти Ньютона предприимчивые наследники стали показывать и яблоню, явившуюся, так сказать, первопричиной открытия великого закона.
А теперь, прежде чем мы попытаемся одним глазком заглянуть в творческую лабораторию великого ученого, давайте вспомним современную формулировку закона всемирного тяготения: «Всякие два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними». На языке математики то же самое можно записать значительно короче F ~ M 1 M 2 /r ², где F - сила притяжения, M 1 и M 2 - массы притягивающихся тел, r ² - квадрат расстояния между тяготеющими массами. Если ввести коэффициент пропорциональности k , то формула получит совсем привычный вид: F = k (M 1 M 2 /r ²). Такой мы ее много раз видели в учебниках. Кажется все так просто, правда? Но это только тогда, когда закон уже открыт, когда к нему все привыкли, если и в голове ни у кого не умещается мысль, что было время, когда люди не знали такого простого и замечательного правила. Впрочем, ни одна теория не строится на пустом месте. После этой фразы мы и оказываемся прямо на пороге творческой лаборатории. О чем же знал Ньютон, размышляя над взаимной связью небесных тел? И что в этом направлении было сделано до него?
Помните «законодателя небес» Иоганна Кеплера? Три его закона произвели переворот во взглядах на Вселенную, заставили отказаться от привычного представления о планетных орбитах как правильных окружностях, разрушили представление о планетных сферах. Законы Кеплера просто и точно описывали движения небесных тел, но... в этих законах автор ни словом не обмолвился о причинах такого движения. Между тем мысли ученых людей XVII века все чаще и чаще обращались к такому вопросу: какая же это сила действует на планеты, заставляет их сворачивать со свободного прямолинейного пути и двигаться по эллипсам вокруг Солнца? В чем кроется причина этой силы? Какова природа ее?..
Сам Кеплер искал первопричину в Солнце. Силы, исходящие из могучего светила, должны были, по его мнению, подталкивать планеты. О природе этой «солнечной силы» астроном не задумывался. Со времен древних философов небо считалось чуждым Земле миром, и его законы не имели ничего общего с земными. А потому нечего было и думать об их природе. В небе властвовал бог! Лишь после того, как Галилей открыл закон инерции, объединивший движение тел в мировом пространстве и на земной поверхности, древняя точка зрения оказалась несостоятельной. Люди увидели, что земные и небесные явления подчиняются единым правилам. А не означало ли это, что и природа их была одной и той же? Из этого предположения напрашивается вывод еще более смелый: так ли уж отличается мир неба от мира Земли? А это уже очень походило на косвенное посягательство на авторитет бога.
Чтобы поддержать идею о единстве мира, надо было придумать механизм действия небесных сил, схожий с каким-то явлением на Земле. И вот французский естествоиспытатель и философ Рене Декарт (1596-1650) выдвигает гипотезу о существовании вихрей в мировом эфире. Подобно тому как знакомые всем вихри на Земле увлекают в своем движении пыль и сухие листья, могучие вихри эфира вовлекают в свое движение небесные тела. Гипотеза Декарта давала очень наглядную картину и пользовалась в свое время большой популярностью. Но и в ней ни слова не говорилось о том, какая это сила, - вихри, и все. Правда, многие догадывались о том, что главную роль здесь должны играть силы притяжения. Существовала очень любопытная гипотеза итальянского натуралиста Джованни Борелли (1608-1679). Одно время он изучал движение спутников Юпитера и пришел к выводу, что движение небесных тел объясняется взаимодействием двух сил: одной - направленной к центру вращения, и другой - от центра. Предположим, рассуждал Борелли, что планета находится на таком расстоянии от Солнца и движется с такой скоростью, что стремление от центра (сегодня мы называем его «центробежной силой») меньше силы притяжения. Тогда планета начнет приближаться к светилу по спирали, пока обе силы не уравновесятся. Но вот по инерции, открытой Галилеем, планета проскочила нейтральную орбиту и подошла к Солнцу ближе положенного. Тогда сохранившаяся скорость движения заставит центробежную силу преодолеть притяжение. И планета снова начнет удаляться от светила по спирали...
В гипотезе Борелли нет ни строчки математических доказательств. Он просто предполагает существование силы притяжения и из нее логически выводит криволинейное движение планеты.
Ньютон знал об этой гипотезе. Но отсутствие математики, отсутствие количественного анализа его не удовлетворяло. «Гипотез не изобретаю», - любил повторять английский ученый. Он только кратко формулировал результаты наблюдаемого действия. И эти формулировки, выведенные с помощью логики и математических расчетов, становились законами.
Работая над вопросами тяготения, Ньютон много внимания уделял теории движения Луны. Это очень сложная математическая задача, решить которую сначала нужно было принципиально. «Что удерживает Луну от падения на Землю и какая сила движет ею по орбите?» Ученый думал упорно и в конце концов понял, что никакой силы для движения тела в пустоте прилагать не нужно. Ведь именно это следует из первого закона движения Галилея. Если на тело не действует никакая сила, то оно продолжает двигаться по прямой с постоянной скоростью. Правда, в законе речь идет о прямолинейном движении. А Луна и планеты движутся криволинейно. Значит, сила нужна не для того, чтобы планеты двигались вообще, а лишь для того, чтобы искривить траекторию их движения! Что же это за сила? Откуда она взялась и чему равна? Не попробовать ли применить к полету по орбите второй закон движения: сила пропорциональна произведению массы на ускорение? Орбита Луны и других планет - почти окружность. Ускорение же равномерного движения по окружности всегда направлено к центру по радиусу и равно квадрату скорости, разделенному на этот радиус (v ²/R ). Тогда и сила должна иметь направление по радиусу к центру орбиты. То есть Луна в своем движении вокруг Земли должна постоянно испытывать ускорение в сторону нашей планеты. Иначе говоря, двигаясь свободно, прямолинейно в пространстве, Луна все время под действием какой-то силы падает на Землю. Падает, но никак не может упасть. Потому что в каждый последующий момент она, падая с прямолинейного пути, пролетает такое расстояние, что снова и снова оказывается на орбите. Так, как это показано на рисунке. А откуда берется эта сила? Вот тут-то и пришла очередь яблока.
Если Земля притягивает яблоко, заставляя его падать на поверхность планеты, то чем Луна хуже яблока? И Ньютон предположил, что именно тяжесть или - более привычно - вес Луны удерживает ее на орбите, не дает улететь в пространство. Дальше ход его рассуждений шел примерно в таком направлении: если бы Луна находилась, как яблоко, совсем близко к поверхности Земли, ускорение свободного падения у нее было бы такое же, как у яблока. То есть примерно 9,81 м/сек ². Но Луна - дальше. Какое же ускорение должна она иметь на своей орбите?.. Тут нужно было посчитать! Но для точных расчетов требовались и точные сведения об орбите Луны, о периоде ее обращения... Ньютон же наблюдениями не занимался. Приходилось обращаться с просьбами к королевскому астроному Флемстиду, который как раз в это время скрупулезно наблюдал движение нашего спутника. Однако упрямый и желчный королевский астроном вовсе не был намерен потакать «причудам мистера Ньютона», как он неоднократно выражался. Это приводило к осложнениям и неприятным спорам. Ньютон споров не любил. И тем не менее буквально ни один его самостоятельный научный шаг не обходился без дискуссии.
Вопросы связи силы тяжести с законами Кеплера стояли в центре внимания всего ученого общества того времени и вызывали к себе весьма ревнивое отношение со стороны многих джентльменов.
Однажды астроном Галлей встретился в лондонской кофейне с архитектором Реном - строителем знаменитого собора святого Павла в Лондоне - и Робертом Гуком, физиком, математиком, экспериментатором и теоретиком, которого вечно обуревали тысячи идей и ни одну из них он не доводил до конца. Разговор зашел о науке, о научных проблемах. Оказалось, что все трое отдали немало времени и сил одной и той же задаче - доказательству, что под действием силы тяжести, убывающей обратно пропорционально квадрату расстояний, движение небесных тел должно совершаться по эллиптическим орбитам. Но никто успехом похвастаться не мог. Тогда Рен, самый богатый из всех троих, чисто в английском вкусе, предложил на пари выплатить премию тому, кто решит проблему.
Как-то, зайдя к Ньютону, Галлей рассказал тому о споре и о пари, заключенном в кофейне. А когда через некоторое время случай снова привел молодого астронома в Кембридж, Ньютон сообщил ему, что решение задачи у него в руках. И ровно через месяц Галлей получил от Ньютона рукопись краткого мемуара с объяснением решения. По просьбе Ньютона мемуар этот не был напечатан в журнале Королевского общества, но его зарегистрировали на случай споров о приоритете.
Естественно, мы не можем восстановить все детали сложного логического пути, которым Ньютон пришел к закону всемирного тяготения. Но если вы любите математику, то можете попробовать самостоятельно разобраться в ходе конечных рассуждений великого физика. Для этого подведем краткий итог того, что было известно.
1. Ньютон знал примерное расстояние от Земли до Луны - шестьдесят земных радиусов.
2. Известно ему было и ускорение свободного падения тела у поверхности Земли - 9,81 м/сек ².
3. Знал он и замечательные законы Кеплера и Галилея.
4. Наконец, идея того, что тяготение между двумя небесными телами должно быть обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, витала в воздухе.
Вряд ли можно проследить точно тот путь, по которому мысль гения стремится к поставленной перед собой цели. Но попробуем вывести закон всемирного тяготения, используя только те данные, которые были известны Ньютону.
Итак, прежде всего некоторое допущение, для упрощения расчетов. Вы помните, что Кеплер доказал: орбиты планет - эллипсы. Но эллипсы с очень незначительными эксцентриситетами. Поэтому, ради простоты, примем их за окружности с Солнцем, расположенным точно в центре. И рассмотрим движение какой-то планеты, делающей один оборот по круговой орбите.
Прежде всего вспомним несколько формул из курса физики: скорость движения V прямо пропорциональна пути и обратно пропорциональна времени движения: V = S /T . Здесь путь планеты S (ее орбита) равен длине окружности S = 2πR . А время движения T есть время одного оборота (или период обращения). R - радиус-расстояние от планеты до Солнца. Подставив введенные обозначения, мы получим скорость движения планеты по орбите в виде формулы: V = 2πR /T .
Теперь найдем ускорение, которое испытывает наша планета, двигаясь по круговой орбите: a = 2πV /T .
Объединив два последних уравнения, получим формулу для ускорения в виде: a = 4π²R /T ².
Вот когда можно переходить к главной задаче - искать выражение для силы F , создающей найденное нами ускорение a .
Согласно закону, выведенному самим Ньютоном, сила равна произведению ускорения тела на его массу m 1 ; F = a ·m 1 . Подставив в эту формулу выражение для полученного нами ускорения, мы получим: F = (4π²R /T ²) ·m 1 . Чтобы исключить из уравнения период и выразить силу только через массу и расстояние, Ньютон использовал третий закон Кеплера, гласящий, что квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы их средних расстояний от Солнца. Что на языке математики имеет вид: R 1 3 /R 2 3 = T 1 2 /T 2 2 . Из этого закона легко понять, что отношение куба расстояния к квадрату периода обращения - величина постоянная. Обозначим ее k , тогда: R 1 3 /T 1 2 = k , или T ² = R 1 3 /k . Выражение T ² подставим в уравнение для силы притяжения: F = 4π²k (m 1 /R 1 2)). Мы получили математическое выражение закона обратных квадратов. Но это еще не закон всемирного тяготения. Еще нужно решить, что представляет собой множитель k .
Из третьего закона Кеплера видно, что величина этого множителя одна и та же для любой планеты, обращающейся вокруг Солнца. Значит, и зависеть этот коэффициент может только от Солнца как центрального тела системы. Тогда силу притяжения между Солнцем и нашей планетой с массой m 1 можно выразить тем же уравнением, но с солнечным коэффициентом k⊙:F = (4π²k ⊙/R 1 2)·m 1 .
Ньютон первым предположил, что величина 4π²k ⊙ пропорциональна массе Солнца, скажем, так: 4π²k ⊙ = Gm ⊙, где m ⊙ - масса Солнца, а G - коэффициент пропорциональности.
Таким образом, уравнение взаимного притяжения между Солнцем и выбранной нами планетой будет иметь вид: F 1 = G ((m ⊙·m 1)/R 1 2). Точно так же для Солнца и Земли: F 2 = G ((m ⊙·m ⊕)/R ⊕ 2).
Но чем отличается, например, система Солнце - Земля от системы Земля - Луна? В принципе ничем. То же центральное тело, вокруг которого обращается другое небесное тело. Значит, для системы Земля - Луна тоже должно быть справедливо уравнение, выведенное раньше.
Только массы и расстояния нужно подставить в него другие...
Наконец наступила пора перейти к закону всемирного тяготения и написать его в общем виде для любых двух тел во Вселенной: F = G ((m 1 ·m 2)/R 2).
Вот какой примерно путь нужно было проделать только формально, чтобы, имея под рукой готовые формулы и точно зная направление, сформулировать величайший фундаментальный закон природы.
Зная расстояние от Земли до Луны и ускорение силы тяжести на поверхности нашей планеты, Ньютон нашел ускорение Луны. Сравнив его с точными наблюдениями Флемстида, он убедился, что его результат весьма близок к истине.
Год спустя после появления мемуара «О движении», в большой степени благодаря убеждениям и уговорам Галлея, появилась сначала рукопись, а затем и первая книга манускрипта, названного Ньютоном «Математические начала натуральной философии».
Сэр Исаак разработал руду, которую я откопал, - ядовито, хотя и не без горечи заметил Флемстид.
Если он откопал руду, то я смастерил из нее золотое кольцо, - отпарировал Ньютон, который, несмотря на нелюбовь к спорам, еще меньше любил, когда о его работе отзывались без должного уважения и последнее слово в дискуссии оставалось за противником.
Ньютоновские «Начала» были удивительной книгой. «По убедительности аргументации, подкрепленной физическими доказательствами, книга эта не имеет себе равных во всей истории науки, - пишет Джон Бернал. - В математическом отношении ее можно сравнить только с «Элементами» Евклида, а по глубине физического анализа и влиянию на идеи того времени - только с «Происхождением видов» Дарвина».
Решающий вывод о том, что сила, заставляющая тела падать на Землю, и сила, заставляющая Луну обращаться вокруг нашей планеты, одна и та же, имел большое философское значение.
Три основных закона механики и закон всемирного тяготения оказались универсальными для Земли и для неба. Это еще раз подчеркивало единство мира, который некогда делился философами на две несовместимые части - земную и небесную.
Принципы Ньютона без дополнительных условий, гипотез и допущений объясняли движения тел в космосе и на Земле. И все-таки теория всемирного тяготения не сразу завоевала всеобщее признание. Во Франции, да и в самой Англии, еще долгое время пользовались учебниками, построенными на взглядах Декарта.
В заключение можно сказать, что скорее Луна, а не знаменитое яблоко, подтолкнула мысль Ньютона к созданию теории тяготения. Но только «подтолкнула», потому что одна лишь теория движения Луны дать закон ВСЕМИРНОГО тяготения не могла. Она была бы недостаточно убедительной. Следовало распространить выведенный закон и на остальные небесные тела. Но для этого надо было доказать, что планеты удерживает на орбитах та же сила. Исходя из гипотезы о всемирном притяжении Ньютон математически строго вывел законы Кеплера и подтвердил стройную кеплеровскую картину мироздания. Отныне одним и тем же законам подчинялись и планеты, и их спутники, даже редкие гости - «вестники ужаса» - кометы. Отныне все небесные тела двигались по единой рациональной схеме.
Согласитесь, дорогой читатель, что большего требовать от человека, даже такого, как Ньютон, невозможно.
Исследуя движение Луны, он пришел к выводу, что на нее действует не только земное притяжение. Многие силы отклоняли ее с пути равномерного кругового движения. Так, при новолунии наш спутник на расстояние диаметра орбиты ближе к Солнцу, чем при полнолунии. Значит, сила солнечного притяжения меняется, и это ведет к замедлению и ускорению движения Луны в течение месяца. Кроме того, зимой Земля ближе к Солнцу, чем летом. Это тоже влияет на скорость движения Луны, но уже с годичным периодом.
Изменение солнечного притяжения меняет эллиптичность лунной орбиты, отклоняет ее плоскость, заставляя ее медленно вращаться.
Разработать теорию движения Луны полностью, во всех деталях, то есть рассчитать траекторию нашего спутника с учетом притяжения не только Земли, но и Солнца, чрезвычайно трудно. Это знаменитая в истории астрономии «проблема трех тел»... Задача, сыгравшая огромную роль в развитии и становлении теоретической «астрономии тяготения», превратившейся в широкую отрасль науки, называемую «небесной механикой».
Открыть свои замечательные законы движения планет удалось Кеплеру лишь потому, что масса Солнца во много раз больше массы всех планет (примерно в 750 раз). Поэтому влияние планет друг на друга несравнимо меньше, чем влияние центрального светила. Фактически, в первом приближении, рассматривать движение каждой планеты можно вообще не обращая внимания на существование остальных членов солнечного семейства. Только планета и Солнце, и тогда это - «задача двух тел», решение которой относительно несложно.
Слово «относительно» здесь не случайно, потому что вы, наверное, помните, что Кеплер, решив задачу практически, так и не смог объяснить, почему небесные тела движутся по эллиптическим орбитам. Ньютон заново четко сформулировал условия «задачи двух тел» и очень изящно решил ее. Он доказал, что «под действием силы взаимного тяготения, изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния, одно тело будет описывать вокруг другого конические сечения - эллипс, параболу или гиперболу, в зависимости от начальной скорости».
Решение Ньютона приближенное. Стоит добавить в условия влияние третьего тела, как задача неимоверно усложнится. Ньютон первым понял это, и именно ему принадлежит честь формулировки «задачи трех тел». Однако решить ее не смог даже он.
Немало людей бралось за нее в дальнейшем, но лишь в 1912 году финскому математику Сундману удалось получить впервые решение «задачи трех тел» в виде так называемых бесконечных рядов. К сожалению, это сложное теоретическое решение почти ничего не дает практике. Между тем сегодня, в век развития космонавтики, «задача трех тел» приобретает особое значение. И, судя по успехам полетов советских автоматических межпланетных станций, вы понимаете, что она решается, и решается неплохо. Но достигается это большим трудом и только с помощью таких замечательных помощников человека, как электронные счетные машины.
Решил Ньютон и другую, чрезвычайно интересную задачу. Он сравнил силу притяжения одних тел другими с силой притяжения Луны Землей и узнал, например, во сколько раз Солнце или Юпитер тяжелее Земли. Он оценил массы Солнца и всех известных ему планет и их спутников в единицах массы нашей планеты! Это было замечательным достижением гениального ученого.
Не все идеи Ньютона получали безоговорочное признание. Интересен спор, который возник между английскими и французскими астрономами по поводу формы Земли. Начался он с того, что в 1671 году французская астрономическая экспедиция отправилась к экватору, чтобы в условиях темного безоблачного неба наблюдать звезды. Но славу экспедиции принесло другое, совершенно случайное открытие. Для измерений времени при наблюдениях астроном Рише - один из членов экспедиции - захватил с собой из Франции маятниковые часы. Прибыв в Кайенну, Рише заметил, что часы стали отставать в сутки на две минуты. Пришлось укоротить маятник. Однако по возвращении в Париж часы «побежали», опережая истинное время опять на две минуты. Рише задумался и пришел к выводу, что на экваторе центробежная сила уменьшает тяготение.
Ньютон не мог согласиться с таким утверждением. Зная радиус Земли и скорость ее вращения, центробежную силу трудно вычислить. Она получалась значительно меньшей, чем нужно для объяснения опыта с маятником.
Обдумывая этот вопрос, Ньютон произвел мысленный эксперимент. «Предположим, - говорил он себе, - что у нас есть две шахты. Одна - от полюса к центру Земли, другая - от экватора к центру. Заполним обе шахты водой. Однако, поскольку Земля вращается, на экваторе действует еще и центростремительная сила. Значит, вес воды в экваториальной шахте должен быть больше, чем в полярной. А это значит, что и воды там должно быть больше. Но если обе шахты - от поверхности до центра, следовательно, радиус Земли по экватору должен быть больше радиуса полярного». Ньютон подсчитал разницу и получил примерно 24 километра . Это навело его на мысль, что некогда, на заре возникновения, Земля была пластичной. В результате вращения ее тело сплюснулось...
Примерно в то же время французские астрономы предприняли измерение дуги меридиана. Экспедиции вели работы на разных широтах и в результате пришли к выводу, что Земля не сплюснута у полюсов, а, наоборот, вытянута. Французы вообще довольно долго не признавали взглядов Ньютона, отдавая предпочтение философии своего соотечественника Декарта. В конце концов, разногласия точек зрения зашли так далеко, что вызвали насмешку остроумного Вольтера. Вот что писал он в 1730 году в своих «Письмах из Лондона об английском»:
«Француз, который попадет в Лондон, обнаруживает, что все совершенно изменилось в философии - точно так же, как и во всем другом. Там он оставил заполненный мир, здесь - нашел его пустым. В Париже вы видели Вселенную, наполненную круговыми вихрями из тончайшей материи, в Лондоне вы ничего этого не видите. У французов давление Луны вызывает приливы на море, у англичан море притягивается к Луне...
Кроме того, вы можете заметить, что Солнце, которое во Франции в это дело не вмешивается, здесь вносит в него свою четвертую часть. У картезианцев все происходит благодаря давлению, которое, правда, само непонятно. У месье Ньютона все происходит благодаря притяжению, причина которого известна ничуть не лучше. В Париже Земле придают форму дыни, в Лондоне она сплюснута у полюсов».
Впрочем, этот сарказм не помешал Вольтеру в специальном сочинении «Элементы философии Ньютона» блестяще рассказать о сути ньютоновской теории и стать горячим пропагандистом идей Ньютона у себя на родине.
Для разрешения споров о форме нашей планеты понадобились новые тщательные исследования и измерения Земли. Французская академия снарядила две новые экспедиции. Одну - в Перу, другую - в Лапландию. Результаты их работ подтвердили правоту Ньютона.
С помощью таких же рассуждений доказал Ньютон и сплюснутость Юпитера. Более того, поскольку гигантская планета вращается быстрее Земли, то и сжата она у полюсов должна быть сильнее.
Прошло всего четыре года после выхода «Начал» - и это утверждение Ньютона было подтверждено путем наблюдений...
Ньютон занимался и вопросом о «маленьких лунах».
Проделаем еще один мысленный эксперимент. На вершине горы установим пушку и начнем из нее стрелять, посылая снаряды параллельно земной поверхности. Если заряд мал, снаряд летит медленно и падает, как нам кажется, на поверхность по параболе, фокус которой находится близко к вершине горы. На самом же деле траектория падения снаряда - эллипс, второй фокус которого в центре Земли. Различить параболу и эллипс на малом участке траектории очень трудно.
Если увеличить заряд и придать снаряду большую скорость, он полетит вокруг Земли по круговой орбите, наподобие Луны, став спутником нашей планеты. Если начальную скорость полета еще и еще увеличивать, траектория снаряда будет представлять собой последовательно сначала эллипс, с ближайшим фокусом в центре Земли, потом гигантскую параболу и наконец гиперболу. В последнем случае снаряд навсегда покинет Землю и уйдет в космическое пространство. Скорость «убегания» нетрудно рассчитать. И вы, конечно, сами понимаете, насколько такие расчеты важны в наше время.
Примечания
По современным данным разница между экваториальным и полярным радиусами Земли составляет чуть больше 21 километра.
Свои труды Декарт подписывал на латинский манер именем Картезий, потому и называли сторонников его учения - картезианцами.
Сэр Исаак Ньютон, получив по голове яблоком, вывел закон всемирного тяготения, который гласит:
Любые два тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс тела и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:
F = (Gm 1 m 2)/R 2 , где
m1, m2
- массы тел
R
- расстояние между центрами тел
G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг
- константа
Определим ускорение свободного падения на поверхности Земли:
F g = m тела g = (Gm тела m Земли)/R 2
R (радиус Земли) = 6,38·10 6 м
m Земли = 5,97·10 24 кг
m тела g = (Gm тела m Земли)/R 2 или g = (Gm Земли)/R 2
Обратите внимание, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела!
g = 6,67·10 -11 ·5,97·10 24 /(6,38·10 6) = 398,2/40,7 = 9,8 м/с 2
Мы говорили ранее, что силу тяжести (гравитационное притяжение) называют весом .
На поверхности Земли вес и масса тела имеют одинаковое значение. Но по мере удаления от Земли вес тела будет уменьшаться (т.к. будет увеличиваться расстояние между центром Земли и телом), а масса будет оставаться постоянной (поскольку масса - это выражение инерции тела). Масса измеряется в килограммах , вес - в ньютонах .
Благодаря силе гравитации, небесные тела вращаются друг относительно друга: Луна вокруг Земли; Земля вокруг Солнца; Солнце вокруг центра нашей Галактики и т.д. При этом тела удерживаются центробежной силой, которую обеспечивает сила гравитации.
Это же относится и к искусственным телам (спутникам), вращающимся вокруг Земли. Окружность по которой спутник вращается, называется орбитой вращения.
При этом на спутник действует центробежная сила:
F ц = (m спутника V 2)/R
Сила гравитации:
F g = (Gm спутника m Земли)/R 2
F ц = F g = (m спутника V 2)/R = (Gm спутника m Земли)/R 2
V2 = (Gm Земли)/R; V = √(Gm Земли)/R
По этой формуле можно вычислить скорость любого тела, вращающегося по орбите с радиусом R вокруг Земли.
Естественным спутником Земли является Луна. Определим ее линейную скорость на орбите:
Масса Земли = 5,97·10 24 кг
R - это расстояние между центром Земли и центром Луны. Чтобы определить это расстояние, нам надо сложить три величины: радиус Земли; радиус Луны; расстояние от Земли до Луны.
R луны = 1738 км = 1,74·10 6 м
R земли = 6371 км = 6,37·10 6 м
R зл = 384400 км = 384,4·10 6 м
Общее расстояние между центрами планет: R = 392,5·10 6 м
Линейная скорость Луны:
V = √(Gm Земли)/R = √6,67·10 -11 ·5,98·10 24 /392,5·10 6 = 1000 м/с = 3600 км/ч
Луна движется по круговой орбите вокруг Земли с линейной скоростью в 3600 км/ч !
Определим теперь период обращения Луны вокруг Земли. За период обращения Луна преодолевает расстояние, равное длине орбиты - 2πR . Орбитальная скорость Луны: V = 2πR/T ; с другой стороны: V = √(Gm Земли)/R :
2πR/T = √(Gm Земли)/R отсюда T = 2π√R 3 /Gm Земли
T = 6,28·√(60,7·10 24)/6,67·10 -11 ·5,98·10 24 = 3,9·10 5 с
Период обращения Луны вокруг Земли составляет 2 449 200 секунд, или 40 820 минут, или 680 часов, или 28,3 суток.
1. Вертикальное вращение
Ранее в цирках был очень популярным трюк в котором велосипедист (мотоциклист) делал полный оборот внутри окружности, расположенной вертикально.
Какой же минимальной скоростью должен обладать трюкач, чтобы в верхней точке не свалиться вниз?
Для прохождения верхней точки без падения тело должно обладать скоростью, создающей такую центробежную силу, которая бы компенсировала силу тяжести.
Центробежная сила: F ц = mV 2 /R
Сила тяжести: F g = mg
F ц = F g ; mV 2 /R = mg; V = √Rg
И опять обратите внимание, что в расчетах отсутствует масса тела! Следует учесть, что это скорость, которой должно обладать тело в верхней точке!
Допустим, что на арене цирка установлена окружность с радиусом 10 метров. Рассчитаем безопасную скорость для трюка:
V = √Rg = √10·9,8 = 10 м/с = 36 км/ч
Аристотель утверждал, что массивные предметы падают на землю быстрее лёгких.
Галилей в начале XVII века показал, что все предметы падают «одинаково». И примерно в то же время Кеплер задумывался, что заставляет планеты двигаться по своим орбитам. Быть может, это магнетизм? Исаак Ньютон, работая над « », свел все эти движения к действию единой силы, называемой гравитацией, которая подчиняется простым универсальным законам.
Галилей экспериментально показал, что путь, пройденный телом, падающим под действием гравитации, пропорционален квадрату времени падения: шар, падающий в течение двух секунд, пройдет вчетверо больший путь, чем такой же предмет в течение одной секунды. Также Галилей показал, что скорость прямо пропорциональна времени падения, и вывел отсюда, что пушечное ядро летит по параболической траектории — одному из видов конических сечений, как и эллипсы, по которым, согласно Кеплеру, движутся планеты. Но откуда эта связь?
Когда в середине 1660-х годов Кембриджский университет закрылся на время Великой эпидемии чумы, Ньютон вернулся в семейную усадьбу и там сформулировал свой закон тяготения, хотя и держал его потом в тайне еще 20 лет. (Историю об упавшем яблоке никто не слыхал, пока восьмидесятилетний Ньютон не рассказал эту байку после большого званого ужина.)
Он предположил, что все предметы во Вселенной порождают гравитационную силу, притягивающую другие объекты (подобно тому, как яблоко притягивается к Земле), и эта самая сила гравитации определяет траектории, по которым движутся в космосе звезды, планеты и другие небесные тела.
На склоне своих дней Исаак Ньютон рассказал, как это произошло: он гулял по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел луну в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите.
Закон обратных квадратов
Ньютон сумел рассчитать величину ускорения Луны под влиянием земной гравитации и нашел, что она в тысячи раз меньше, чем ускорение предметов (того же яблока) вблизи Земли. Как такое может быть, если они движутся под действием одной и той же силы?
Объяснение Ньютона состояло в том, что сила тяготения ослабевает с расстоянием. Объект на поверхности Земли в 60 раз ближе к центру планеты, чем Луна. Притяжение на орбите Луны составляет 1/3600, или 1/602, от того, что действует на яблоко. Таким образом, сила притяжения между двумя объектами — будь это Земля и яблоко, Земля и Луна или Солнце и комета — обратно пропорциональна квадрату разделяющего их расстояния. Удвойте расстояние, и сила уменьшится вчетверо, утройте его — сила станет меньше в девять раз и т. д. Сила также зависит от масс объектов — чем больше масса, тем сильнее гравитация.
Закон всемирного тяготения можно записать в виде формулы:
F = G(Mm/r 2).
Где: сила гравитации равна произведению большей массы M и меньшей массы m , деленному на квадрат расстояния между ними r 2 и помноженному на гравитационную постоянную, обозначаемую заглавной буквой G (строчная g обозначает вызванное тяготением ускорение).
Эта постоянная определяет притяжение между любыми двумя массами в любой точке Вселенной. В 1789 году ее использовали для вычисления массы Земли (6·1024 кг). Законы Ньютона замечательно предсказывают силы и движения в системе из двух объектов. Но при добавлении третьего всё значительно усложняется и приводит (спустя 300 лет) к математике хаоса.