В природата съществуват различни сили, които характеризират взаимодействието на телата. Помислете за онези сили, които възникват в механиката.

гравитационни сили.Вероятно първата сила, чието съществуване е осъзнато от човек, е силата на привличане, действаща върху тела от страната на Земята.

И отне много векове, за да разберат хората, че силата на гравитацията действа между всякакви тела. И отне много векове, за да разберат хората, че силата на гравитацията действа между всякакви тела. Английският физик Нютон е първият, който разбира този факт. Анализирайки законите, управляващи движението на планетите (законите на Кеплер), той стига до извода, че наблюдаваните закони за движението на планетите могат да бъдат изпълнени само ако между тях съществува сила на привличане, която е право пропорционална на техните маси и обратно пропорционална на квадрат на разстоянието между тях.

Нютон формулира закон на гравитацията. Всякакви две тела се привличат едно към друго. Силата на привличане между точковите тела е насочена по правата, която ги свързва, е право пропорционална на масите на двете и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях:

В този случай под точкови тела се разбират тела, чиито размери са многократно по-малки от разстоянието между тях.

Силите на гравитацията се наричат ​​гравитационни сили. Коефициентът на пропорционалност G се нарича гравитационна константа. Стойността му е определена експериментално: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².

земно притеглянедействаща близо до повърхността на Земята, е насочена към нейния център и се изчислява по формулата:

където g е ускорението на свободното падане (g = 9,8 m/s²).

Ролята на гравитацията в живата природа е много важна, тъй като размерът, формата и пропорциите на живите същества до голяма степен зависят от нейната величина.

Телесно тегло.Помислете какво се случва, когато товарът е поставен върху хоризонтална равнина (опора). В първия момент след спускането на товара той започва да се движи надолу под действието на гравитацията (фиг. 8).

Равнината се огъва и възниква еластична сила (реакция на опората), насочена нагоре. След като еластичната сила (Fy) балансира силата на гравитацията, спускането на тялото и отклонението на опората ще спрат.

Отклонението на опората е възникнало под действието на тялото, следователно върху опората от страната на тялото действа определена сила (P), която се нарича теглото на тялото (фиг. 8, b). Според третия закон на Нютон теглото на тялото е равно по големина на опорната противодействаща сила и е насочена в обратна посока.

P \u003d - Fu \u003d F тежък.

телесно тегло наречена сила P, с която тялото действа върху неподвижна спрямо него хоризонтална опора.

Тъй като гравитацията (тежестта) е приложена към опората, тя се деформира и поради еластичността противодейства на силата на гравитацията. Силите, развити в този случай от страна на опората, се наричат ​​сили на реакцията на опората, а самото явление на развитие на противодействието се нарича реакция на опората. Според третия закон на Нютон силата на реакция на опората е равна по големина на силата на тежестта на тялото и противоположна на нея по посока.

Ако човек върху опора се движи с ускорението на връзките на тялото му, насочени встрани от опората, тогава силата на реакция на опората се увеличава със стойността ma, където m е масата на човека и са ускоренията, с които връзките на тялото му се движат. Тези динамични ефекти могат да бъдат записани с помощта на тензометрични устройства (динамограми).

Теглото не трябва да се бърка с телесната маса. Масата на тялото характеризира неговите инерционни свойства и не зависи нито от гравитационната сила, нито от ускорението, с което се движи.

Теглото на тялото характеризира силата, с която то действа върху опората и зависи както от силата на гравитацията, така и от ускорението на движението.

Например на Луната теглото на едно тяло е около 6 пъти по-малко от теглото на тяло на Земята.Масата и в двата случая е еднаква и се определя от количеството материя в тялото.

В ежедневието, технологиите, спорта теглото често се посочва не в нютони (N), а в килограми сила (kgf). Преходът от една единица към друга се извършва по формулата: 1 kgf = 9,8 N.

Когато опората и тялото са неподвижни, тогава масата на тялото е равна на силата на тежестта на това тяло. Когато опората и тялото се движат с известно ускорение, тогава, в зависимост от посоката си, тялото може да изпита безтегловност или претоварване. Когато ускорението съвпада по посока и е равно на ускорението на гравитацията, теглото на тялото ще бъде нула, така че възниква състояние на безтегловност (ISS, високоскоростен асансьор при спускане). Когато ускорението на движението на опората е противоположно на ускорението на свободното падане, човекът изпитва претоварване (стартиране от повърхността на Земята на пилотиран космически кораб, високоскоростен асансьор, който се изкачва нагоре).

Не само най-загадъчните природни силино и най-мощният.

Човек по пътя към прогреса

Исторически е така човекдокато се движите напред пътища на прогресаовладял все по-мощните сили на природата. Той започна, когато нямаше нищо друго освен пръчка в юмрука си и собствената си физическа сила.

Но той беше мъдър и приложи физическата сила на животните в своя служба, правейки ги домашни. Конят ускори бягането си, камилата направи пустинята проходима, слонът - блатистата джунгла. Но физическите сили дори на най-силните животни са неизмеримо малки в сравнение със силите на природата.

Първият човек покори елемента огън, но само в най-отслабените му версии. Първоначално - в продължение на много векове - той използва само дървесина като гориво - много нискоенергийно интензивен вид гориво. Малко по-късно той се научи да използва енергията на вятъра от този източник на енергия, човек вдигна бялото крило на платното във въздуха - и лек кораб прелетя като птица над вълните.

Платноходка по вълните

Той изложи остриетата на вятърната мелница на поривите на вятъра - и тежките камъни на воденичните камъни се завъртяха, пестиците на зърна затракаха. Но на всички е ясно, че енергията на въздушните струи далеч не е концентрирана. Освен това и платното, и вятърната мелница се страхуваха от вятърни удари: бурята разкъса платната и потопи корабите, бурята счупи крилата и преобърна мелниците.

Още по-късно човекът започва да завладява течащата вода. Колелото е не само най-примитивното устройство, способно да преобразува енергията на водата във въртеливо движение, но и най-слабото в сравнение с различни.

Човекът вървеше напред по стълбата на прогреса и се нуждаеше от все повече и повече енергия.
Той започна да използва нови видове гориво - вече преходът към изгаряне на въглища увеличи енергийната интензивност на килограм гориво от 2500 kcal на 7000 kcal - почти три пъти. Тогава дойде времето на петрола и газа. Отново, енергийното съдържание на всеки килограм изкопаемо гориво се е увеличило с един и половина до два пъти.

Парните двигатели бяха заменени от парни турбини; мелничните колела са заменени от хидравлични турбини. Тогава мъжът протегна ръка към делящия се атом на уран. Първото използване на нов вид енергия обаче има трагични последици – ядреният пламък в Хирошима през 1945 г. изпепелява 70 хиляди човешки сърца за минути.

През 1954 г. първата в света съветска атомна електроцентрала влиза в експлоатация, превръщайки силата на урана в силата на излъчване на електрически ток. И трябва да се отбележи, че един килограм уран съдържа два милиона пъти повече енергия от един килограм най-добър петрол.

Това беше принципно нов огън, който можеше да се нарече физически, защото именно физиците изследваха процесите, водещи до раждането на такива баснословни количества енергия.
Уранът не е единственото ядрено гориво. Вече се използва по-мощен вид гориво - водородни изотопи.

За съжаление, човек все още не е успял да покори водородно-хелиевия ядрен пламък. Той знае как моментално да запали своя всеизгарящ огън, подпалвайки реакцията във водородна бомба със светкавица на експлозия на уран. Но все по-близо и по-близо учените виждат водороден реактор, който ще генерира електрически ток в резултат на сливането на ядра от водородни изотопи в ядра на хелий.

Отново, количеството енергия, което човек може да вземе от всеки килограм гориво, ще се увеличи почти десетократно. Но дали тази стъпка ще бъде последната в бъдещата история на човешката власт над природните сили?

Не! Предстои - овладяването на гравитационната форма на енергия. Тя е дори по-предпазливо опакована от природата дори от енергията на водородно-хелиевия синтез. Днес това е най-концентрираната форма на енергия, за която човек може дори да се досети.

Там все още не се вижда нищо повече отвъд върховете на науката. И въпреки че можем уверено да кажем, че електроцентралите ще работят за човек, преработвайки гравитационната енергия в електрически ток (или може би в поток от газ, излитащ от дюзата на реактивен двигател, или в планираната трансформация на вездесъщите атоми на силиций и кислород в атоми на ултраредки метали), все още не можем да кажем нищо за детайлите на такава електроцентрала (ракетен двигател, физически реактор).

Силата на универсалната гравитация в началото на раждането на галактиките

Силата на универсалната гравитация е в основата на раждането на галактикитеот предзвездната материя, както е убеден академик В. А. Амбарцумян. Той също така угасва звездите, които са изгорели времето си, изразходвайки звездното гориво, определено им при раждането.

Да, огледайте се: всичко на Земята до голяма степен се контролира от тази сила.

Именно тя определя слоестата структура на нашата планета - редуването на литосферата, хидросферата и атмосферата. Именно тя пази дебел слой въздушни газове, на дъното на който и благодарение на който съществуваме всички ние.

Ако нямаше гравитация, Земята веднага щеше да излезе от орбитата си около Слънцето, а самото земно кълбо щеше да се разпадне, разкъсано от центробежни сили. Трудно е да се намери нещо, което в една или друга степен да не зависи от силата на всемирната гравитация.

Разбира се, древните философи, много наблюдателни хора, не можеха да не забележат, че хвърленият нагоре камък винаги се връща. Платон през 4-ти век пр. н. е. обяснява това с факта, че всички вещества във Вселената се стремят към мястото, където са концентрирани повечето подобни вещества: хвърлен камък пада на земята или отива на дъното, разлята вода се просмуква в най-близкото езерце или в река, която си проправя път към морето, димът от огън се втурва към сродните си облаци.

Ученикът на Платон, Аристотел, изясни, че всички тела имат специални свойства на тежест и лекота. Тежките тела - камъни, метали - се устремяват към центъра на Вселената, леките - огън, дим, изпарения - към периферията. Тази хипотеза, която обяснява някои от явленията, свързани със силата на всемирната гравитация, съществува повече от 2 хиляди години.

Учените за силата на гравитацията

Вероятно първият, който повдига въпроса за сила на гравитациятанаистина научен, беше геният на Ренесанса - Леонардо да Винчи. Леонардо провъзгласи, че гравитацията е характерна не само за Земята, че има много центрове на тежестта. И той също предположи, че силата на гравитацията зависи от разстоянието до центъра на тежестта.

Трудовете на Коперник, Галилей, Кеплер, Робърт Хук доближават все повече и повече до идеята за закона за всемирното привличане, но в окончателната си формулировка този закон завинаги се свързва с името на Исак Нютон.

Исак Нютон за силата на гравитацията

Роден на 4 януари 1643 г. Завършва университета в Кеймбридж, става бакалавър, след това - магистър на науките.

Исак Нютон

Всичко, което следва, е безкрайно богатство от научни трудове. Но основният му труд е „Математически принципи на естествената философия“, публикуван през 1687 г. и обикновено наричан просто „Начала“. Именно в тях е формулирано великото. Вероятно всеки го помни от гимназията.

Всички тела се привличат едно към друго със сила, която е право пропорционална на произведението на масите на тези тела и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях ...

Някои разпоредби на тази формулировка биха могли да бъдат предвидени от предшествениците на Нютон, но тя все още не е дадена на никого в нейната цялост. Гениалността на Нютон беше необходима, за да събере тези фрагменти в едно цяло, за да разпространи привличането на Земята към Луната, а Слънцето - към цялата планетна система.

От закона за всемирното привличане Нютон извежда всички закони за движението на планетите, открити преди това от Кеплер. Те бяха просто неговите последствия. Освен това Нютон показа, че не само законите на Кеплер, но и отклоненията от тези закони (в света на три или повече тела) са резултат от универсалната гравитация ... Това беше голям триумф на науката.

Изглеждаше, че основната сила на природата, която движи световете, най-накрая беше открита и математически описана, силата, на която са подвластни молекулите на въздуха, ябълките и Слънцето. Гигантска, неизмеримо огромна беше стъпката на Нютон.

Първият популяризатор на работата на брилянтен учен, френският писател Франсоа Мари Аруе, световноизвестен под псевдонима Волтер, каза, че Нютон внезапно се досеща за съществуването на закон, кръстен на него, когато гледа падаща ябълка.

Самият Нютон никога не е споменавал тази ябълка. И едва ли си струва да губите време днес за опровергаването на тази красива легенда. И, очевидно, Нютон е стигнал до разбирането на великата сила на природата чрез логически разсъждения. Вероятно е включено в съответната глава на "Началата".

Силата на гравитацията влияе върху полета на ядрото

Да предположим, че на много висока планина, толкова висока, че върхът й вече е извън атмосферата, сме поставили гигантска артилерия. Цевта му беше поставена строго успоредно на повърхността на земното кълбо и изстреляна. Описване на дъгата ядрото пада на земята.

Увеличаваме заряда, подобряваме качеството на барута, по един или друг начин караме сърцевината да се движи с по-висока скорост след следващия изстрел. Дъгата, описана от ядрото, става по-плоска. Ядрото пада много по-далеч от подножието на нашата планина.

Ние също увеличаваме заряда и стреляме. Ядрото лети по толкова лека траектория, че се спуска успоредно на повърхността на земното кълбо. Ядрото вече не може да падне на Земята: със същата скорост, с която пада, Земята се измъква изпод него. И след като описа пръстена около нашата планета, ядрото се връща към началната точка.

Междувременно пистолетът може да бъде изваден. В крайна сметка полетът на ядрото около земното кълбо ще отнеме повече от час. И тогава ядрото бързо ще премине над върха на планината и ще отиде в нов кръг около Земята. Паднете, ако, както се съгласихме, ядрото не изпитва никакво въздушно съпротивление, то никога няма да може.

Скоростта на ядрото за това трябва да бъде близо до 8 км/сек. И ако увеличите скоростта на полета на ядрото? Първо ще лети в дъга, по-нежна от кривината на земната повърхност, и ще започне да се отдалечава от Земята. В същото време скоростта му под въздействието на земната гравитация ще намалее.

И накрая, обръщайки се, ще започне сякаш да пада обратно към Земята, но ще прелети покрай нея и вече няма да завърши кръг, а елипса. Ядрото ще се движи около Земята точно по същия начин, както Земята се движи около Слънцето, а именно по елипса, в един от фокусите на която ще бъде разположен центърът на нашата планета.

Ако увеличим допълнително началната скорост на ядрото, елипсата ще се окаже по-разтегната. Възможно е тази елипса да се разтегне по такъв начин, че ядрото да достигне лунната орбита или дори много по-далеч. Но докато първоначалната скорост на това ядро ​​не надхвърли 11,2 km/s, то ще остане спътник на Земята.

Ядрото, което получи скорост от над 11,2 km / s при изстрел, завинаги ще отлети от Земята по параболична траектория. Ако елипсата е затворена крива, тогава параболата е крива, която има два клона, отиващи към безкрайността. Движейки се по една елипса, колкото и издължена да е тя, ние неизбежно систематично ще се връщаме към началната точка. Движейки се по парабола, никога няма да се върнем в началната точка.

Но след като напусна Земята с тази скорост, ядрото все още няма да може да лети до безкрайността. Мощната гравитация на Слънцето ще огъне траекторията на полета му, ще се затвори около себе си като траекторията на планета. Ядрото ще стане сестра на Земята, малка планета в нашето семейство от планети.

За да се насочи ядрото извън планетарната система, за да се преодолее слънчевото привличане, е необходимо да му се каже скорост над 16,7 km / s и да се насочи така, че скоростта на собственото движение на Земята да се добави към тази скорост .

Скорост от около 8 km / s (тази скорост зависи от височината на планината, от която стреля нашият пистолет) се нарича кръгова скорост, скорости от 8 до 11,2 km / s са елиптични, от 11,2 до 16,7 km / s са параболични, а над това число - освобождаващи скорости.

Тук трябва да се добави, че дадените стойности на тези скорости са валидни само за Земята. Ако живеехме на Марс, кръговата скорост щеше да бъде много по-лесна за постигане - там тя е само около 3,6 km/s, а параболичната скорост е само малко над 5 km/s.

От друга страна, би било много по-трудно да се изпрати ядрото в космически полет от Юпитер, отколкото от Земята: кръговата скорост на тази планета е 42,2 km / s, а параболичната скорост е дори 61,8 km / s!

Най-трудно би било за жителите на Слънцето да напуснат своя свят (ако, разбира се, такъв може да съществува). Кръговата скорост на този гигант трябва да бъде 437,6, а скоростта на отделяне - 618,8 km / s!

И така, Нютон в края на 17 век, сто години преди първия полет на балон с горещ въздух, пълен с топъл въздух от братя Монголфие, двеста години преди първите полети на самолета на братя Райт и почти една четвърт от хилядолетие преди излитането на първите течни ракети, посочи пътя към небето за сателити и космически кораби.

Силата на гравитацията е присъща на всяка сфера

Като се използва закон на гравитациятаоткрити са неизвестни планети, създадени са космогонични хипотези за произхода на Слънчевата система. Основната сила на природата, която контролира звездите, планетите, ябълките в градината и газовите молекули в атмосферата, е открита и математически описана.

Но ние не знаем механизма на универсалната гравитация. Нютоновата гравитация не обяснява, а визуално представя текущото състояние на планетарното движение.

Ние не знаем какво причинява взаимодействието на всички тела на Вселената. И не може да се каже, че Нютон не се е интересувал от тази причина. Дълги години той размишлява върху възможния му механизъм.

Между другото, това наистина е изключително мистериозна сила. Сила, която се проявява през стотици милиони километри пространство, лишено на пръв поглед от каквито и да било материални образувания, с помощта на които би могло да се обясни трансферът на взаимодействие.

Хипотези на Нютон

И нютонприбягна до хипотезаза съществуването на определен етер, който уж изпълва цялата Вселена. През 1675 г. той обяснява привличането към Земята с факта, че етерът, изпълващ цялата Вселена, се втурва към центъра на Земята в непрекъснати потоци, улавяйки всички обекти в това движение и създавайки гравитационна сила. Същият поток от етер се втурва към Слънцето и, увличайки планетите, кометите, осигурява техните елиптични траектории...

Това не беше много убедителна, макар и абсолютно математически логична хипотеза. Но сега, през 1679 г., Нютон създава нова хипотеза, обясняваща механизма на гравитацията. Този път той дарява етера със свойството да има различна концентрация в близост до планетите и далеч от тях. Колкото по-далеч от центъра на планетата, толкова етерът се предполага, че е по-плътен. И има свойството да изстисква всички материални тела от техните по-плътни слоеве в по-малко плътни. И всички тела са изстискани на повърхността на Земята.

През 1706 г. Нютон рязко отрича самото съществуване на етера. През 1717 г. той отново се връща към хипотезата за изстискването на етера.

Гениалният мозък на Нютон се бори за решението на великата мистерия и не го намира. Това обяснява такова рязко хвърляне от една страна на друга. Нютон казваше:

Не правя хипотези.

И въпреки че, както успяхме само да проверим, това не е съвсем вярно, определено можем да кажем нещо друго: Нютон е успял ясно да разграничи неща, които са безспорни, от нестабилни и противоречиви хипотези. И в Елементите има формула на великия закон, но няма опит да се обясни механизмът му.
Великият физик завеща тази загадка на човека от бъдещето. Умира през 1727 г.
Не е разгадана и до днес.

Дискусията за физическата същност на закона на Нютон отне два века. И може би тази дискусия нямаше да засяга самата същност на закона, ако той отговори точно на всички поставени му въпроси.

Но фактът е, че с времето се оказа, че този закон не е универсален. Че има случаи, когато той не може да обясни това или онова явление. Да дадем примери.

Силата на гравитацията в изчисленията на Seeliger

Първият от тях е парадоксът на Seeliger. Считайки, че Вселената е безкрайна и равномерно изпълнена с материя, Зилигер се опитва да изчисли, според закона на Нютон, универсалната гравитационна сила, създадена от цялата безкрайно голяма маса на безкрайната Вселена в дадена точка от нея.

Това не беше лесна задача от гледна точка на чистата математика. След като преодолява всички трудности на най-сложните трансформации, Зеелигер установява, че желаната сила на универсалната гравитация е пропорционална на радиуса на Вселената. И тъй като този радиус е равен на безкрайност, тогава гравитационната сила трябва да е безкрайно голяма. Това обаче не го виждаме на практика. Това означава, че законът за всемирното притегляне не важи за цялата Вселена.

Възможни са обаче и други обяснения на парадокса. Например, можем да предположим, че материята не изпълва равномерно цялата Вселена, но нейната плътност постепенно намалява и накрая някъде много далеч няма никаква материя. Но да си представим такава картина означава да допуснем възможността за съществуване на пространство без материя, което като цяло е абсурдно.

Можем да предположим, че силата на гравитацията отслабва по-бързо, отколкото се увеличава квадратът на разстоянието. Но това поставя под съмнение изненадващата хармония на закона на Нютон. Не, и това обяснение не задоволи учените. Парадоксът си остана парадокс.

Наблюдения на движението на Меркурий

Друг факт, действието на силата на всемирната гравитация, необяснено от закона на Нютон, доведе наблюдение на движението на Меркурий- най-близо до планетата. Точните изчисления според закона на Нютон показаха, че перехелионът - точката на елипсата, по която Меркурий се движи най-близо до Слънцето - трябва да се измести с 531 дъгови секунди за 100 години.

И астрономите са установили, че това изместване е равно на 573 дъгови секунди. Този излишък - 42 дъгови секунди - също не може да бъде обяснен от учените, като се използват само формули, произтичащи от закона на Нютон.

Той обясни и парадокса на Зилигер, и изместването на перхелиона на Меркурий, и много други парадоксални явления и необясними факти Алберт Айнщайн, един от най-великите, ако не и най-великият физик на всички времена. Сред досадните дребни неща беше въпросът за ефирен вятър.

Експерименти на Алберт Майкелсън

Изглежда, че този въпрос не засяга пряко проблема с гравитацията. Имаше отношение към оптиката, към светлината. По-точно към определянето на скоростта му.

Датският астроном е първият, който определи скоростта на светлината. Олаф Ремернаблюдавайки затъмнението на луните на Юпитер. Това се случва още през 1675 г.

американски физик Алберт Майкелсънв края на 18-ти век той провежда серия от определяния на скоростта на светлината при земни условия, използвайки апарата, който е проектирал.

През 1927 г. той дава скоростта на светлината като 299796 + 4 km/s, което е отлична точност за онези времена. Но същността на въпроса е друга. През 1880 г. той решава да изследва ефирния вятър. Той искаше най-накрая да установи съществуването на същия този етер, с присъствието на който се опитваха да обяснят както предаването на гравитационното взаимодействие, така и предаването на светлинните вълни.

Майкелсън е може би най-забележителният експериментатор на своето време. Имаше отлично оборудване. И беше почти сигурен в успеха.

Същност на опита

Опитбеше замислен така. Земята се движи по своята орбита със скорост около 30 км/сек.. Движи се във въздуха. Това означава, че скоростта на светлината от източник, който е пред приемника спрямо движението на Земята, трябва да бъде по-голяма от тази от източник, който е от другата страна. В първия случай скоростта на ефирния вятър трябва да се добави към скоростта на светлината, във втория случай скоростта на светлината трябва да се намали с тази стойност.

Разбира се, скоростта на Земята в нейната орбита около Слънцето е само една десет хилядна от скоростта на светлината. Намирането на такъв малък термин е много трудно, но Майкелсън беше наречен кралят на точността с причина. Той използва гениален начин да улови "неуловимата" разлика в скоростите на светлинните лъчи.

Той раздели лъча на два равни потока и ги насочи във взаимно перпендикулярни посоки: по меридиана и по паралела. Отразени от огледалата, лъчите се върнаха. Ако вървящият по паралела лъч е изпитал влиянието на ефирния вятър, при добавянето му към меридионалния лъч би трябвало да възникнат интерферентни ивици, вълните на двата лъча биха били изместени във фаза.

Въпреки това, за Майкелсън беше трудно да измери пътищата на двата лъча с такава голяма точност, така че да са абсолютно еднакви. Затова той построи апарата така, че да няма интерферентни ивици, след което го завъртя на 90 градуса.

Меридионалният лъч стана широчинен и обратно. Ако има ефирен вятър, под окуляра трябва да се появят черни и светли ивици! Но не бяха. Може би при завъртане на устройството ученият го е преместил.

Сложи го по обяд и го оправи. В крайна сметка, освен това, той също се върти около оста си. И следователно в различни часове на деня широчинният лъч заема различна позиция спрямо настъпващия ефирен вятър. Сега, когато апаратът е строго неподвижен, човек може да се убеди в точността на експеримента.

Отново нямаше интерферентни ивици. Експериментът е провеждан многократно и Майкелсън, а с него и всички физици от онова време, са изумени. Ефирният вятър не беше засечен! Светлината пътува във всички посоки с еднаква скорост!

Никой не е успял да обясни това. Майкелсън повтаря експеримента отново и отново, подобрява оборудването и накрая постига почти невероятна точност на измерване, с порядък по-голям от необходимия за успеха на експеримента. И пак нищо!

Експерименти на Алберт Айнщайн

Следващата голяма стъпка в познания за силата на гравитациятаНаправих Алберт Айнщайн.
Веднъж попитаха Алберт Айнщайн:

Как стигнахте до вашата специална теория на относителността? При какви обстоятелства ви хрумна гениална идея? Ученият отговори: „Винаги ми е изглеждало, че това е така.

Може би не искаше да бъде откровен, може би искаше да се отърве от досадния събеседник. Но е трудно да си представим, че идеята на Айнщайн за връзките между времето, пространството и скоростта е вродена.

Не, разбира се, отначало имаше предчувствие, ярко като светкавица. Тогава започна разработката. Не, няма противоречия с известни явления. И тогава се появиха онези пет страници, пълни с формули, които бяха публикувани във физически журнал. Страници, които откриха нова ера във физиката.

Представете си космически кораб, който лети през космоса. Веднага ще ви предупредим: космическият кораб е много странен, такъв, за който не сте чели в научнофантастичните истории. Дължината му е 300 хиляди километра, а скоростта му е, да речем, 240 хиляди км / сек. И този космически кораб лети покрай една от междинните платформи в космоса, без да спира на нея. На пълна скорост.

Един от пътниците стои на палубата на космическия кораб с часовник. И ние с теб, читателю, стоим на платформа - нейната дължина трябва да съответства на размера на звезден кораб, тоест 300 хиляди километра, иначе няма да може да се придържа към нея. И ние също имаме часовник в ръцете си.

Забелязваме, че в момента, когато носът на кораба се докосна до задния ръб на нашата платформа, върху него проблесна фенер, осветяващ пространството около него. Секунда по-късно лъч светлина достигна предния ръб на нашата платформа. Не се съмняваме в това, защото знаем скоростта на светлината и сме успели да определим точно съответния момент на часовника. И на звезден кораб...

Но звездният кораб също полетя към лъча светлина. И съвсем определено видяхме, че светлината освети кърмата му в момента, когато беше някъде близо до средата на платформата. Определено видяхме, че лъчът светлина не покрива 300 хиляди километра от носа до кърмата на кораба.

Но пътниците на палубата на звездолета са сигурни в друго. Те са сигурни, че техният лъч е покрил цялото разстояние от носа до кърмата от 300 хиляди километра. В края на краищата той отдели цяла секунда за това. Те също го записаха абсолютно точно на часовниците си. И как би могло да бъде иначе: в крайна сметка скоростта на светлината не зависи от скоростта на източника ...

Как така? Ние виждаме едно нещо от фиксирана платформа, а друго за тях на палубата на космически кораб? Какъв е проблема?

Теорията на относителността на Айнщайн

Веднага трябва да се отбележи: Теорията на относителността на Айнщайнна пръв поглед той абсолютно противоречи на установената ни представа за устройството на света. Можем да кажем, че противоречи и на здравия разум, както сме свикнали да го представяме. Това се е случвало много пъти в историята на науката.

Но откриването на сферичността на Земята противоречи на здравия разум. Как хората да живеят от другата страна и да не паднат в бездната?

За нас сферичността на Земята е несъмнен факт и от гледна точка на здравия разум всяко друго предположение е безсмислено и диво. Но се отдръпнете от времето си, представете си първата поява на тази идея и ще разберете колко трудно би било да я приемете.

Е, по-лесно ли беше да признаем, че Земята не е неподвижна, а лети по траекторията си десетки пъти по-бързо от гюле?

Всичко това бяха останки от здравия разум. Следователно съвременните физици никога не го споменават.

Сега да се върнем към специалната теория на относителността. Светът я разпознава за първи път през 1905 г. от статия, подписана от малко известно име - Алберт Айнщайн. А той беше само на 26 години по това време.

Айнщайн направи много просто и логично предположение от този парадокс: от гледна точка на наблюдател на платформата, в движеща се кола е изминало по-малко време, отколкото е измерил вашият ръчен часовник. В колата времето се забави в сравнение с времето на неподвижната платформа.

От това предположение логично следват доста невероятни неща. Оказа се, че човек, който пътува за работа в трамвая, в сравнение с пешеходеца, който върви по същия начин, не само спестява време поради скоростта, но и той върви по-бавно за него.

Не се опитвайте обаче да запазите вечната младост по този начин: дори да станете файтонджия и да прекарате една трета от живота си в трамвая, след 30 години едва ли ще спечелите повече от една милионна от секундата. За да стане забележима печалбата във времето, е необходимо да се движите със скорост, близка до скоростта на светлината.

Оказва се, че увеличаването на скоростта на телата се отразява в тяхната маса. Колкото по-близо е скоростта на едно тяло до скоростта на светлината, толкова по-голяма е неговата маса. При скорост на тялото, равна на скоростта на светлината, неговата маса е равна на безкрайност, тоест тя е по-голяма от масата на Земята, Слънцето, Галактиката, цялата ни Вселена ... Ето колко маса може да се концентрира в обикновен калдъръм, ускорявайки го до скорост
Света!

Това налага ограничение, което не позволява на нито едно материално тяло да развива скорост, равна на скоростта на светлината. В края на краищата, с нарастването на масата става все по-трудно да се разпръсне. А една безкрайна маса не може да бъде преместена от никаква сила.

Природата обаче е направила много важно изключение от този закон за цял клас частици. Например за фотони. Те могат да се движат със скоростта на светлината. По-точно, те не могат да се движат с друга скорост. Немислимо е да си представим неподвижен фотон.

Когато е неподвижен, той няма маса. Освен това неутриното нямат маса на покой и също така са обречени на вечен необуздан полет в космоса с максималната възможна скорост в нашата Вселена, без да изпреварват светлината и да се справят с нея.

Не е ли вярно, че всяко едно от изброените от нас следствия на специалната теория на относителността е изненадващо, парадоксално! И всеки, разбира се, противоречи на "здравия разум"!

Но ето какво е интересно: не в конкретната си форма, а като широка философска позиция всички тези удивителни последствия са предсказани от основателите на диалектическия материализъм. Какво казват тези изводи? За връзките, които свързват енергия и маса, маса и скорост, скорост и време, скорост и дължина на движещ се обект...

Откритието на Айнщайн за взаимозависимостта, подобно на цимента (още:), свързването на арматура или основите, свързва заедно неща и явления, които преди са изглеждали независими едно от друго, и създава основата, върху която за първи път в историята на науката е възможно изграждането на хармонична сграда. Тази сграда е представяне на това как работи нашата вселена.

Но първо, поне няколко думи за общата теория на относителността, създадена също от Алберт Айнщайн.

Алберт Айнщайн

Това име - общата теория на относителността - не отговаря съвсем на съдържанието на теорията, за която ще стане дума. Установява взаимозависимостта между пространството и материята. Явно би било по-правилно да го наречем теория на пространство-времето, или теория на гравитацията.

Но това име е толкова тясно свързано с теорията на Айнщайн, че дори повдигането на въпроса за замяната му сега изглежда неприлично за много учени.

Общата теория на относителността установява взаимозависимостта между материята и времето и пространството, които я съдържат. Оказа се, че пространството и времето не само не могат да се представят като съществуващи отделно от материята, но техните свойства зависят и от материята, която ги изпълва.

Отправна точка на дискусията

Следователно може само да се конкретизира отправна точка на дискусиятаи направи някои важни изводи.

В началото на космическото пътуване неочаквана катастрофа унищожи библиотеката, филмовия фонд и други хранилища на ума, паметта на хората, летящи през космоса. И природата на родната планета е забравена в смяната на вековете. Дори законът за всемирното притегляне е забравен, защото ракетата лети в междугалактическото пространство, където почти не се усеща.

Двигателите на кораба обаче работят превъзходно, запасът от енергия в батериите е практически неограничен. През повечето време корабът се движи по инерция, а обитателите му са свикнали с безтегловност. Но понякога включват двигателите и забавят или ускоряват движението на кораба. Когато реактивните дюзи пламват в празнотата с безцветен пламък и корабът се движи с ускорена скорост, обитателите чувстват, че телата им стават тежки, те са принудени да се разхождат из кораба, а не да летят през коридорите.

И сега полетът е близо до завършване. Корабът лети до една от звездите и попада в орбитите на най-подходящата планета. Звездолетите изгасват, вървят по свежа зелена земя, постоянно изпитвайки същото чувство на тежест, познато от времето, когато корабът се движеше с ускорени темпове.

Но планетата се движи равномерно. Не може да лети към тях с постоянно ускорение от 9,8 m/s2! И те имат първото предположение, че гравитационното поле (гравитационната сила) и ускорението дават един и същ ефект и може би имат обща природа.

Никой от нашите земни съвременници не е бил на толкова дълъг полет, но много хора са усетили феномена на „утежняване“ и „олекотяване“ на телата си. Вече обикновен асансьор, когато се движи с ускорени темпове, създава това усещане. При слизане усещате внезапна загуба на тегло, при изкачване, напротив, подът притиска краката ви с по-голяма сила от обикновено.

Но едно чувство не доказва нищо. В крайна сметка усещанията се опитват да ни убедят, че Слънцето се движи в небето около неподвижната Земя, че всички звезди и планети са на еднакво разстояние от нас, на небесния свод и т.н.

Учените подложиха усещанията на експериментална проверка. Дори Нютон се замисля за странната идентичност на двата феномена. Той се опита да им даде числени характеристики. След като измери гравитационните и , той беше убеден, че техните стойности винаги са строго равни една на друга.

От каквито и да било материали е направил махалата на пилотната инсталация: от сребро, олово, стъкло, сол, дърво, вода, злато, пясък, жито. Резултатът беше същият.

Принцип на еквивалентността, за която говорим, е в основата на общата теория на относителността, въпреки че съвременната интерпретация на теорията вече не се нуждае от този принцип. Пропускайки математическите изводи, които следват от този принцип, нека пристъпим директно към някои следствия от общата теория на относителността.

Наличието на големи маси материя силно влияе на околното пространство. Това води до такива промени в него, които могат да бъдат определени като нееднородности на пространството. Тези нехомогенности насочват движението на всякакви маси, които са близо до привличащото тяло.

Обикновено прибягват до такава аналогия. Представете си платно, опънато плътно върху рамка, успоредна на земната повърхност. Поставете голяма тежест върху него. Това ще бъде нашата голяма притегателна маса. Тя, разбира се, ще огъне платното и ще се окаже в някаква вдлъбнатина. Сега завъртете топката върху това платно по такъв начин, че част от нейния път да лежи до привличащата маса. В зависимост от начина на изстрелване на топката са възможни три варианта.

1. Топката ще лети достатъчно далеч от вдлъбнатината, създадена от отклонението на платното, и няма да промени движението си.
2. Топката ще докосне вдлъбнатината и линиите на нейното движение ще се огънат към привличащата маса.
3. Топката ще попадне в тази дупка, няма да може да излезе от нея и ще направи едно или две завъртания около гравитиращата маса.

Не е ли вярно, че третият вариант много красиво моделира улавянето от звезда или планета на чуждо тяло, небрежно влетяло в тяхното поле на привличане?

И вторият случай е огъване на траекторията на тяло, летящо със скорост, по-голяма от възможната скорост на улавяне! Първият случай е подобен на летене извън практическия обсег на гравитационното поле. Да, практично е, защото теоретично гравитационното поле е неограничено.

Разбира се, това е много далечна аналогия, най-вече защото никой не може наистина да си представи отклонението на нашето триизмерно пространство. Какъв е физическият смисъл на тази деформация или кривина, както често се казва, никой не знае.

От общата теория на относителността следва, че всяко материално тяло може да се движи в гравитационно поле само по криви линии. Само в отделни, специални случаи кривата се превръща в права линия.

Светлинният лъч също се подчинява на това правило. В края на краищата той се състои от фотони, които имат определена маса в полет. И гравитационното поле оказва влияние върху него, както и върху молекула, астероид или планета.

Друг важен извод е, че гравитационното поле също променя хода на времето. В близост до голяма привличаща маса, в силно гравитационно поле, създадено от нея, времето трябва да тече по-бавно, отколкото далеч от нея.

Виждате ли, и общата теория на относителността е изпълнена с парадоксални заключения, които могат да преобръщат представите ни за „здрав разум“ отново и отново!

Гравитационен колапс

Нека поговорим за удивително явление от космическа природа - за гравитационен колапс (катастрофално свиване). Това явление се случва в гигантски натрупвания на материя, където гравитационните сили достигат толкова огромни величини, че никакви други сили, съществуващи в природата, не могат да им устоят.

Спомнете си известната формула на Нютон: колкото по-голяма е силата на гравитацията, толкова по-малък е квадратът на разстоянието между гравитиращите тела. Така, колкото по-плътно става материалното образувание, колкото по-малък е размерът му, толкова по-бързо нарастват гравитационните сили, толкова по-неизбежна е тяхната разрушителна прегръдка.

Има хитра техника, чрез която природата се бори с привидно безграничното компресиране на материята. За да направи това, той спира самия ход на времето в сферата на действие на свръхгигантските гравитационни сили и оковите маси от материя са сякаш изключени от нашата Вселена, замръзнали в странен летаргичен сън.

Първата от тези "черни дупки" на космоса вероятно вече е открита. Според предположението на съветските учени О. Х. Хусейнов и А. Ш. Новрузова, това е делтата на Близнаци - двойна звезда с един невидим компонент.

Видимият компонент има маса 1,8 слънчеви, а невидимият му "партньор" според изчисленията трябва да бъде четири пъти по-масивен от видимия. Но от него няма следи: невъзможно е да се види най-удивителното творение на природата, "черната дупка".

Съветският учен професор К. П. Станюкович, както се казва, „на върха на писалката“, чрез чисто теоретични конструкции показа, че частиците на „замръзналата материя“ могат да бъдат много различни по размер.

• Възможни са нейни гигантски образувания, подобни на квазари, непрекъснато излъчващи толкова енергия, колкото излъчват всички 100 милиарда звезди на нашата Галактика.
• Възможни са много по-скромни групи, равни само на няколко слънчеви маси. И тези, и други обекти могат да възникнат сами от обикновена, а не „спяща“ материя.
• И са възможни образувания от съвсем различен клас, съизмерими по маса с елементарните частици.

За да възникнат, е необходимо първо материята, която ги изгражда, да бъде подложена на гигантски натиск и да бъде закарана в пределите на сферата на Шварцшилд – сфера, в която времето за външен наблюдател спира напълно. И дори ако след това налягането дори бъде премахнато, частиците, за които времето е спряло, ще продължат да съществуват независимо от нашата Вселена.

планкеони

Планкеоните са много специален клас частици. Те притежават, според К. П. Станюкович, изключително интересно свойство: носят материята в себе си в непроменен вид, такава, каквато е била преди милиони и милиарди години. Поглеждайки вътре в планкеона, можем да видим материята такава, каквато е била по времето на раждането на нашата вселена. Според теоретични изчисления във Вселената има около 1080 планкеона, приблизително един планкеон в куб пространство със страна 10 сантиметра. Между другото, по същото време като Станюкович и (независимо от него, хипотезата за планкеоните е изложена от академик М.А. Марков. Само Марков им дава друго име - максимони.

Специалните свойства на планкеоните също могат да се използват за обяснение на понякога парадоксални трансформации на елементарни частици. Известно е, че когато две частици се сблъскат, никога не се образуват фрагменти, а възникват други елементарни частици. Това е наистина удивително: в обикновения свят, счупвайки ваза, никога няма да получим цели чаши или дори розетки. Но да предположим, че в дълбините на всяка елементарна частица има планкеон, един или няколко, а понякога и много планкеони.

В момента на сблъсък на частици, плътно завързаната "чанта" на планкеона се отваря леко, някои частици ще "попаднат" в нея и вместо да "изскочат" тези, които считаме за възникнали по време на сблъсъка. В същото време планкеонът, като усърден счетоводител, ще осигури всички "закони за запазване", приети в света на елементарните частици.
Е, какво общо има с това механизмът на всемирната гравитация?

„Отговорни“ за гравитацията, според хипотезата на К. П. Станюкович, са миниатюрни частици, така наречените гравитони, непрекъснато излъчвани от елементарни частици. Гравитоните са толкова по-малки от последните, колкото прашинка, танцуваща в слънчев лъч, е по-малка от земното кълбо.

Излъчването на гравитоните се подчинява на редица закономерности. По-специално, те са по-лесни за летене в този регион на космоса. Което съдържа по-малко гравитони. Това означава, че ако в космоса има две небесни тела, и двете ще излъчват гравитони предимно „навън“, в посоки, противоположни една на друга. Това създава импулс, който кара телата да се приближават едно към друго, да се привличат.

В този раздел ще говорим за удивителната хипотеза на Нютон, която доведе до откриването на закона за всемирното привличане.
Защо камък, пуснат от ръцете, пада на земята? Защото е привлечен от Земята, ще каже всеки от вас. Всъщност камъкът пада на Земята с ускорение на свободното падане. Следователно сила, насочена към Земята, действа върху камъка от страната на Земята. Според третия закон на Нютон камъкът също действа върху Земята със същия модул на сила, насочен към камъка. С други думи, между Земята и камъка действат сили на взаимно привличане.
Предположението на Нютон
Нютон пръв се досеща, а след това категорично доказва, че причината за падането на камък върху Земята, движението на Луната около Земята и на планетите около Слънцето, е една и съща. Това е гравитационната сила, действаща между всички тела на Вселената. Ето хода на неговите разсъждения, дадени в основния труд на Нютон „Математически принципи на естествената философия“: „Камък, хвърлен хоризонтално, ще се отклони
, \\
1
/ /
При
Ориз. 3.2
под въздействието на гравитацията от права траектория и, описвайки крива траектория, накрая ще падне на Земята. Ако го хвърлите с по-голяма скорост, ! тогава ще падне още” (фиг. 3.2). Продължавайки тези разсъждения, Нютон стига до заключението, че ако не беше съпротивлението на въздуха, тогава траекторията на камък, хвърлен от висока планина с определена скорост, би могла да стане такава, че той изобщо да не достигне повърхността на Земята, но ще се движи около него „точно както планетите описват своите орбити в небесното пространство“.
Сега сме толкова свикнали с движението на спътниците около Земята, че няма нужда да обясняваме по-подробно мисълта на Нютон.
И така, според Нютон, движението на Луната около Земята или на планетите около Слънцето също е свободно падане, но само падане, което продължава без спиране милиарди години. Причината за подобно „падане” (независимо дали наистина говорим за падането на обикновен камък върху Земята или за движението на планетите по техните орбити) е силата на всемирното притегляне. От какво зависи тази сила?
Зависимостта на силата на гравитацията от масата на телата
В § 1.23 говорихме за свободното падане на телата. Споменаха се експериментите на Галилей, които доказаха, че Земята предава едно и също ускорение на всички тела на дадено място, независимо от тяхната маса. Това е възможно само ако силата на привличане към Земята е правопропорционална на масата на тялото. Именно в този случай ускорението на свободното падане, равно на съотношението на силата на гравитацията към масата на тялото, е постоянна стойност.
Наистина, в този случай увеличаването на масата m, например, с коефициент две ще доведе до увеличаване на модула на силата F също с коефициент два, а ускорението
Е
рений, който е равен на отношението - , ще остане непроменен.
Обобщавайки това заключение за силите на гравитацията между всякакви тела, ние заключаваме, че силата на универсалната гравитация е право пропорционална на масата на тялото, върху което действа тази сила. Но поне две тела участват във взаимното привличане. Всеки от тях, според третия закон на Нютон, е подложен на същия модул на гравитационните сили. Следователно всяка от тези сили трябва да е пропорционална както на масата на едното тяло, така и на масата на другото тяло.
Следователно силата на универсалната гравитация между две тела е право пропорционална на произведението на техните маси:
F - тук2. (3.2.1)
Какво друго определя гравитационната сила, действаща върху дадено тяло от друго тяло?
Зависимостта на силата на гравитацията от разстоянието между телата
Може да се приеме, че силата на гравитацията трябва да зависи от разстоянието между телата. За да провери правилността на това предположение и да намери зависимостта на силата на гравитацията от разстоянието между телата, Нютон се обърна към движението на спътника на Земята - Луната. Движението му се изучаваше в онези дни много по-точно от движението на планетите.
Революцията на Луната около Земята се извършва под въздействието на гравитационната сила между тях. Приблизително орбитата на Луната може да се счита за кръг. Следователно Земята придава центростремително ускорение на Луната. Изчислява се по формулата
l 2
a \u003d - Tg
където B е радиусът на лунната орбита, равен на приблизително 60 радиуса на Земята, T \u003d 27 дни 7 h 43 min \u003d 2,4 106 s е периодът на революция на Луната около Земята. Като вземем предвид, че радиусът на Земята R3 = 6,4 106 m, получаваме, че центростремителното ускорение на Луната е равно на:
2 6 4k 60 ¦ 6,4 ¦ 10
М „„ „. , относно
a = 2 ~ 0,0027 m/s*.
(2,4 ¦ 106 s)
Установената стойност на ускорението е по-малка от ускорението на свободното падане на тела близо до повърхността на Земята (9,8 m/s2) приблизително 3600 = 602 пъти.
По този начин увеличаването на разстоянието между тялото и Земята с 60 пъти доведе до намаляване на ускорението, придадено от земната гравитация, и следователно на самата сила на гравитацията с 602 пъти.
Това води до важен извод: ускорението, придадено на телата от силата на привличане към Земята, намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието до центъра на Земята:
ci
a = -k, (3.2.2)
Р
където Cj е постоянен коефициент, еднакъв за всички тела.
Законите на Кеплер
Изследването на движението на планетите показа, че това движение се причинява от силата на гравитацията към Слънцето. Използвайки внимателни дългосрочни наблюдения на датския астроном Тихо Брахе, немският учен Йоханес Кеплер в началото на 17 век. установява кинематичните закони на движението на планетите – така наречените закони на Кеплер.
Първият закон на Кеплер
Всички планети се движат по елипси със Слънцето в един от фокусите.
Елипса (фиг. 3.3) е плоска затворена крива, сумата от разстоянията от която и да е точка до две фиксирани точки, наречени фокуси, е постоянна. Тази сума от разстояния е равна на дължината на голямата ос AB на елипсата, т.е.
FgP + F2P = 2b,
където Fl и F2 са фокусите на елипсата, а b = ^^ е нейната голяма полуос; O е центърът на елипсата. Най-близката до Слънцето точка от орбитата се нарича перихелий, а най-отдалечената от него точка се нарича p.

AT
Ориз. 3.4
„2
B A A афелий. Ако Слънцето е във фокус Fr (виж фиг. 3.3), тогава точка А е перихелий, а точка В е афелий.
Втори закон на Кеплер
Радиус-векторът на планетата за еднакви интервали от време описва равни площи. Така че, ако защрихованите сектори (фиг. 3.4) имат еднаква площ, тогава пътищата si> s2> s3 ще бъдат изминати от планетата за равни интервали от време. От фигурата се вижда, че Sj > s2. Следователно линейната скорост на планетата в различни точки от нейната орбита не е еднаква. В перихелий скоростта на планетата е най-голяма, в афелий – най-малка.
Третият закон на Кеплер
Квадратите на орбиталните периоди на планетите около Слънцето се отнасят като кубовете на големите полуоси на техните орбити. Обозначавайки голямата полуос на орбитата и периода на въртене на една от планетите през bx и Tv, а на другата - през b2 и T2, третият закон на Кеплер може да се запише по следния начин:

От тази формула може да се види, че колкото по-далеч е планетата от Слънцето, толкова по-дълъг е нейният период на въртене около Слънцето.
Въз основа на законите на Кеплер могат да се направят определени изводи за ускоренията, придадени на планетите от Слънцето. За простота ще приемем, че орбитите не са елиптични, а кръгли. За планетите от Слънчевата система тази замяна не е много грубо приближение.
Тогава силата на привличане от страната на Слънцето в това приближение трябва да бъде насочена за всички планети към центъра на Слънцето.
Ако чрез T означим периодите на въртене на планетите, а през R радиусите на техните орбити, то според третия закон на Кеплер за две планети можем да напишем
t\L? T2 R2
Нормално ускорение при движение в кръг a = co2R. Следователно съотношението на ускоренията на планетите
Q-i GlD.
7G=-2~- (3-2-5)
2t:r0
Използвайки уравнение (3.2.4), получаваме
Т2
Тъй като третият закон на Кеплер е валиден за всички планети, тогава ускорението на всяка планета е обратно пропорционално на квадрата на нейното разстояние от Слънцето:
Ох ох
а = -|. (3.2.6)
WT
Константата C2 е една и съща за всички планети, но не съвпада с константата C2 във формулата за ускорението, дадено на телата от земното кълбо.
Изразите (3.2.2) и (3.2.6) показват, че гравитационната сила и в двата случая (привличане към Земята и привличане към Слънцето) дава на всички тела ускорение, което не зависи от тяхната маса и намалява обратно пропорционално на квадрата разстоянието между тях:
F~a~-2. (3.2.7)
Р
Закон за гравитацията
Наличието на зависимости (3.2.1) и (3.2.7) означава, че силата на всемирната гравитация 12
Т.П.Л Ш
F~
R2? ТТТ-и ТПп
F=G
През 1667 г. Нютон най-накрая формулира закона за всемирното притегляне:
(3.2.8) Р
Силата на взаимно привличане на две тела е право пропорционална на произведението на масите на тези тела и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Коефициентът на пропорционалност G се нарича гравитационна константа.
Взаимодействие на точкови и разширени тела
Законът за всемирното притегляне (3.2.8) е валиден само за такива тела, чиито размери са пренебрежимо малки в сравнение с разстоянието между тях. С други думи, важи само за материални точки. В този случай силите на гравитационното взаимодействие са насочени по линията, свързваща тези точки (фиг. 3.5). Такива сили се наричат ​​централни.
За да намерите гравитационната сила, действаща върху дадено тяло от друго, в случай, че размерът на телата не може да бъде пренебрегнат, процедирайте по следния начин. И двете тела са мислено разделени на толкова малки елементи, че всеки от тях може да се счита за точка. Добавяйки гравитационните сили, действащи върху всеки елемент на дадено тяло от всички елементи на друго тяло, получаваме силата, действаща върху този елемент (фиг. 3.6). След извършване на такава операция за всеки елемент от дадено тяло и добавяне на получените сили, те намират общата гравитационна сила, действаща върху това тяло. Тази задача е трудна.
Има обаче един практически важен случай, когато формула (3.2.8) е приложима за разширени тела. Възможно е да се докаже
m^
Фиг. 3.5 Фиг. 3.6
Може да се каже, че сферичните тела, чиято плътност зависи само от разстоянията до техните центрове, при разстояния между тях, по-големи от сбора на техните радиуси, се привличат със сили, чиито модули се определят по формула (3.2.8) . В този случай R е разстоянието между центровете на топките.
И накрая, тъй като размерите на телата, падащи на Земята, са много по-малки от размерите на Земята, тези тела могат да се считат за точкови. Тогава под R във формулата (3.2.8) трябва да се разбира разстоянието от даденото тяло до центъра на Земята.
Между всички тела съществуват сили на взаимно привличане, зависещи от самите тела (техните маси) и от разстоянието между тях.
? 1. Разстоянието от Марс до Слънцето е с 52% по-голямо от разстоянието от Земята до Слънцето. Каква е продължителността на една година на Марс? 2. Как ще се промени силата на привличане между топките, ако алуминиевите топки (фиг. 3.7) се заменят със стоманени топки със същата маса? същия обем?

Абсолютно всички материални тела, както разположени директно на Земята, така и съществуващи във Вселената, постоянно се привличат едно към друго. Фактът, че това взаимодействие по никакъв начин не е възможно да се види или усети, само показва, че това привличане е относително слабо в тези конкретни случаи.

Взаимодействието между материалните тела, което се състои в постоянния им стремеж едно към друго, според основните физични термини се нарича гравитационно, а самото явление привличане се нарича гравитация.

Феноменът на гравитацията е възможен, защото около абсолютно всяко материално тяло (включително около човек) има гравитационно поле. Това поле е особен вид материя, от действието на която нищо не може да бъде защитено и с помощта на която едно тяло действа върху друго, предизвиквайки ускорение към центъра на източника на това поле. Тя послужи като основа за универсалната гравитация, формулирана през 1682 г. от английския натуралист и философ И.

Основната концепция на този закон е гравитационната сила, която, както беше споменато по-горе, не е нищо друго освен резултат от действието на гравитационно поле върху определено материално тяло. се крие във факта, че силата, с която възниква взаимното привличане на телата както на Земята, така и в космоса, пряко зависи от произведението на масата на тези тела и е обратно пропорционална на разстоянието, разделящо тези обекти.

По този начин гравитационната сила, чието определение е дадено от самия Нютон, зависи само от два основни фактора - масата на взаимодействащите тела и разстоянието между тях.

Потвърждение, че това явление зависи от масата на материята, може да се намери чрез изучаване на взаимодействието на Земята с телата около нея. Скоро след Нютон, друг известен учен, Галилей, убедително показа, че при нашата планета дава на всички тела абсолютно еднакво ускорение. Това е възможно само ако тялото към Земята зависи пряко от масата на това тяло. В крайна сметка, наистина, в този случай, с увеличаване на масата няколко пъти, силата на действащата гравитация ще се увеличи точно същия брой пъти, докато ускорението ще остане непроменено.

Ако продължим тази мисъл и разгледаме взаимодействието на произволни две тела на повърхността на "синята планета", тогава можем да заключим, че една и съща сила действа върху всяко от тях от нашата "майка Земя". В същото време, разчитайки на известния закон, формулиран от същия Нютон, можем да кажем с увереност, че големината на тази сила ще зависи пряко от масата на тялото, следователно гравитационната сила между тези тела е пряко зависима от продукта от техните маси.

За да докаже, че това зависи от размера на празнината между телата, Нютон трябваше да включи Луната като „съюзник“. Отдавна е установено, че ускорението, с което телата падат на Земята, е приблизително равно на 9,8 m / s ^ 2, но Луната по отношение на нашата планета, в резултат на серия от експерименти, се оказа само 0,0027 m/s ^ 2.

По този начин гравитационната сила е най-важното физическо количество, което обяснява много процеси, протичащи както на нашата планета, така и в околното космическо пространство.

Силата на гравитацията

Нютон открива законите за движение на телата. Според тези закони движението с ускорение е възможно само под действието на сила. Тъй като падащите тела се движат с ускорение, те трябва да бъдат подложени на сила, насочена надолу към Земята. Само Земята ли има свойството да привлича към себе си тела, които са близо до нейната повърхност? През 1667 г. Нютон предполага, че като цяло между всички тела действат сили на взаимно привличане. Той нарече тези сили сили на всемирната гравитация.

Защо не забелязваме взаимното привличане между телата около нас? Може би това се дължи на факта, че силите на привличане между тях са твърде малки?

Нютон успя да покаже, че силата на привличане между телата зависи от масите на двете тела и, както се оказа, достига забележима стойност само когато взаимодействащите тела (или поне едно от тях) имат достатъчно голяма маса.

„ДУПКИ“ В ПРОСТРАНСТВОТО И ВРЕМЕТО

Черните дупки са продукт на гигантски гравитационни сили. Те възникват, когато в хода на силно компресиране на голяма маса материя нейното нарастващо гравитационно поле става толкова силно, че дори не пропуска светлина, нищо не може да излезе от черна дупка. Можете да попаднете в него само под въздействието на огромни гравитационни сили, но няма изход. Съвременната наука разкри връзката на времето с физическите процеси, призвани да „сондират” първите звена от веригата на времето в миналото и да проследят свойствата му в далечното бъдеще.

Ролята на масите на привличащите се тела

Ускорението на свободното падане се отличава с любопитната особеност, че е еднакво на дадено място за всички тела, за тела с всякаква маса. Как да обясним това странно свойство?

Единственото обяснение, което може да се намери за това, че ускорението не зависи от масата на тялото е, че силата F, с която Земята привлича тялото, е пропорционална на неговата маса m.

Наистина, в този случай увеличаването на масата m, например, с коефициент две ще доведе до увеличаване на модула на сила F също с коефициент два, докато ускорението, което е равно на отношението F /m, ще остане непроменена. Нютон прави това единствено правилно заключение: силата на всемирната гравитация е пропорционална на масата на тялото, върху което действа.

Но в края на краищата телата се привличат взаимно и силите на взаимодействие винаги са от едно и също естество. Следователно силата, с която тялото привлича Земята, е пропорционална на масата на Земята. Според третия закон на Нютон тези сили са равни по абсолютна стойност. Следователно, ако една от тях е пропорционална на масата на Земята, то другата равна на нея сила също е пропорционална на масата на Земята. От тук следва, че силата на взаимното привличане е пропорционална на масите на двете взаимодействащи тела. А това означава, че тя е пропорционална на произведението на масите на двете тела.

ЗАЩО ГРАВИТАЦИЯТА В КОСМОСА НЕ Е СЪЩАТА КАКТО НА ЗЕМЯТА?

Всеки обект във Вселената действа върху друг обект, те се привличат. Силата на привличане или гравитацията зависи от два фактора.

Първо, зависи от това колко вещество съдържа предметът, тялото, предметът. Колкото по-голяма е масата на веществото на тялото, толкова по-силна е гравитацията. Ако едно тяло има много малка маса, неговата гравитация е малка. Например масата на Земята е многократно по-голяма от масата на Луната, така че Земята има по-голяма гравитационна сила от Луната.

Второ, силата на гравитацията зависи от разстоянията между телата. Колкото по-близо са телата едно до друго, толкова по-голяма е силата на привличане. Колкото по-далеч са един от друг, толкова по-малка е гравитацията.