A természetben különféle erők jellemzik a testek kölcsönhatását. Tekintsük azokat az erőket, amelyek a mechanikában előfordulnak.

gravitációs erők. Valószínűleg a legelső erő, amelynek létezését az ember felismerte, a Föld felőli testekre ható vonzási erő volt.

És sok évszázadba telt, mire az emberek megértették, hogy a gravitációs erő bármely test között hat. És sok évszázadba telt, mire az emberek megértették, hogy a gravitációs erő bármely test között hat. Ezt a tényt Newton angol fizikus értette meg először. A bolygók mozgását szabályozó törvényszerűségeket (Kepler-törvények) elemezve arra a következtetésre jutott, hogy a bolygók mozgásának megfigyelt törvényei csak akkor teljesülhetnek, ha van köztük egy vonzó erő, amely egyenesen arányos tömegükkel és fordítottan arányos. a köztük lévő távolság négyzetére.

Newton megfogalmazta a gravitáció törvénye. Bármely két test vonzódik egymáshoz. A ponttestek közötti vonzási erő az őket összekötő egyenes mentén irányul, egyenesen arányos mindkettő tömegével és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével:

Ebben az esetben ponttesteken olyan testeket értünk, amelyek méretei sokszor kisebbek, mint a köztük lévő távolság.

A gravitációs erőket gravitációs erőknek nevezzük. A G arányossági együtthatót gravitációs állandónak nevezzük. Értékét kísérletileg határoztuk meg: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².

gravitáció a Föld felszíne közelében ható, a középpontja felé irányul, és a következő képlettel számítják ki:

ahol g a szabadesési gyorsulás (g = 9,8 m/s²).

A gravitáció szerepe az élő természetben igen jelentős, hiszen az élőlények mérete, alakja és arányai nagyban függnek a nagyságától.

Testsúly. Gondoljuk át, mi történik, ha valamilyen súlyt helyezünk vízszintes síkra (támasztékra). A teher leeresztése utáni első pillanatban a gravitáció hatására lefelé kezd mozogni (8. ábra).

A sík elhajlik, és felfelé irányuló rugalmas erő (támasztó reakció) lép fel. Miután a rugalmas erő (Fy) kiegyenlíti a gravitációs erőt, a test süllyedése és a támasz kitérése megszűnik.

A támasz elhajlása a test hatására keletkezett, ezért a test oldaláról bizonyos erő (P) hat a támasztékra, amit a test súlyának nevezünk (8. ábra, b). Newton harmadik törvénye szerint a test súlya nagyságrendileg megegyezik a támasz reakcióerejével, és az ellenkező irányba irányul.

P \u003d - Fu \u003d F nehéz.

testsúly P erőnek nevezzük, amellyel a test a hozzá képest álló vízszintes támaszra hat.

Mivel a támasztékra gravitáció (súly) hat, az deformálódik, és a rugalmasság miatt ellensúlyozza a gravitációs erőt. A támasz oldaláról kialakuló erőket ebben az esetben támasz-reakcióerőknek, az ellenhatás kialakulásának jelenségét pedig támaszreakciónak nevezzük. Newton harmadik törvénye szerint a támasz reakcióereje nagyságrendileg egyenlő a test gravitációs erejével, irányában pedig ellentétes vele.

Ha egy támaszon lévő ember testének láncszemeinek a támasztól elfelé irányuló gyorsulásával mozog, akkor a támasz reakcióereje ma értékkel növekszik, ahol m a személy tömege, és azok a gyorsulások, amelyekkel testének láncszemei ​​mozognak. Ezeket a dinamikus hatásokat nyúlásmérő eszközök (dinamogramok) segítségével rögzíthetjük.

A súlyt nem szabad összetéveszteni a testsúllyal. A test tömege jellemzi a tehetetlenségi tulajdonságait, és nem függ sem a gravitációs erőtől, sem a gyorsulástól, amellyel mozog.

A test súlya jellemzi azt az erőt, amellyel a támasztékra hat, és mind a gravitációs erőtől, mind a mozgás gyorsulásától függ.

Például a Holdon egy test tömege körülbelül 6-szor kisebb, mint a Földön lévő test tömege.A tömeg mindkét esetben azonos, és a testben lévő anyag mennyisége határozza meg.

A mindennapi életben, a technikában, a sportban a súlyt gyakran nem newtonban (N), hanem kilogrammban (kgf) adják meg. Az egyik egységről a másikra való átmenet a következő képlet szerint történik: 1 kgf = 9,8 N.

Ha a támasz és a test mozdulatlan, akkor a test tömege megegyezik a test gravitációs erejével. Ha a támasz és a test némi gyorsulással mozog, akkor annak irányától függően a test súlytalanságot vagy túlterhelést tapasztalhat. Ha a gyorsulás irányában egybeesik és egyenlő a szabadesés gyorsulásával, akkor a test súlya nulla lesz, tehát súlytalansági állapot lép fel (ISS, leereszkedéskor gyorslift). Amikor a támasz mozgásának gyorsulása ellentétes a szabadesés gyorsulásával, az ember túlterhelést tapasztal (emberes űrhajó Földfelszínéről indul, gyorslift felfelé).

Nem csak a legtitokzatosabb a természet ereje hanem a legerősebb is.

Ember a fejlődés útján

Történelmileg így volt Emberi ahogy haladsz előre a haladás útjai uralta a természet egyre hatalmasabb erőit. Akkor kezdte, amikor nem volt más, csak egy bot a markában és a saját testi ereje.

De bölcs volt, és az állatok testi erejét szolgálatába állította, háziassá tette őket. A ló felgyorsította a futást, a teve járhatóvá tette a sivatagot, az elefánt a mocsaras dzsungelt. De még a legerősebb állatok fizikai erői is mérhetetlenül kicsik a természet erőihez képest.

Az első személy leigázta a tűz elemet, de csak a leggyengültebb változataiban. Kezdetben - sok évszázadon át - csak fát használt tüzelőanyagként - egy nagyon alacsony energiaigényű tüzelőanyagot. Valamivel később ebből az energiaforrásból megtanulta használni a szélenergiát, egy ember felemelte a vitorla fehér szárnyát a levegőbe - és egy könnyű hajó madárként repült a hullámok felett.

Vitorlás a hullámokon

A szélmalom lapátjait kitette a széllökéseknek - s a malomkövek nehéz kövei forogtak, zörögtek a dara mozsártörői. De mindenki számára világos, hogy a légsugarak energiája korántsem koncentrált. Ráadásul a vitorla és a szélmalom is félt a szélfújástól: a vihar felszakította a vitorlákat és elsüllyesztette a hajókat, a vihar eltörte a szárnyakat és felborította a malmokat.

Még később az ember elkezdte meghódítani az áramló vizet. A kerék nemcsak a legprimitívebb eszköz, amely képes a víz energiáját forgó mozgássá alakítani, hanem a legkevesebb teljesítményű is a különféle eszközökhöz képest.

Az ember haladt előre a haladás létráján, és egyre több energiára volt szüksége.
Új típusú tüzelőanyagokat kezdett el használni - már a szénégetésre való átállással egy kilogramm üzemanyag energiaintenzitása 2500 kcal-ról 7000 kcal-ra nőtt - csaknem háromszorosára. Aztán eljött az olaj és a gáz ideje. Ismét másfél-kétszeresére nőtt minden egyes kilogramm fosszilis tüzelőanyag energiatartalma.

A gőzgépeket gőzturbinák váltották fel; a malom kerekeit hidraulikus turbinák váltották fel. Aztán a férfi kezet nyújtott a hasadó uránatomnak. Az új típusú energia első alkalmazása azonban tragikus következményekkel járt – a hirosimai atomláng 1945-ben percek alatt 70 ezer emberi szívet égetett el.

1954-ben üzembe helyezték a világ első szovjet atomerőművét, amely az urán erejét elektromos áram sugárzó erejévé változtatta. És meg kell jegyezni, hogy egy kilogramm urán kétmilliószor több energiát tartalmaz, mint egy kilogramm legjobb olaj.

Ez egy alapvetően új tűz volt, amelyet fizikainak is nevezhetünk, mert fizikusok tanulmányozták azokat a folyamatokat, amelyek ilyen mesés mennyiségű energia megszületéséhez vezettek.
Az urán nem az egyetlen nukleáris üzemanyag. Egy erősebb üzemanyagtípust már használnak - a hidrogénizotópokat.

Sajnos az embernek még nem sikerült megfékeznie a hidrogén-hélium atomlángot. Tudja, hogyan kell egy pillanatra meggyújtani a mindent égő tüzét, és egy uránrobbanás villanásával fellobbantja a reakciót egy hidrogénbombában. De egyre közelebbről látnak a tudósok egy hidrogénreaktort, amely elektromos áramot fog generálni a hidrogénizotópok magjainak héliummagokká való fúziója eredményeként.

Ismét csaknem tízszeresére nő az az energiamennyiség, amelyet az ember minden egyes kilogramm üzemanyagból felvehet. De vajon ez lesz-e az utolsó lépés a természeti erők feletti emberi hatalom elkövetkező történetében?

Nem! Előre - az energia gravitációs formájának elsajátítása. Még a hidrogén-hélium fúzió energiájánál is körültekintőbben csomagolja a természet. Ma ez az energia legkoncentráltabb formája, amelyről az ember még csak sejteni is tud.

A tudomány élvonalán túl még semmi sem látszik ott. És bár bátran kijelenthetjük, hogy az erőművek működni fognak az ember számára, a gravitációs energiát elektromos árammá (vagy esetleg egy sugárhajtómű fúvókájából kiszökő gázsugárrá, vagy a mindenütt jelenlévő szilícium és oxigén atomok tervezett átalakítására) dolgozzák fel. ultraritka fémek atomjaiba), egy ilyen erőmű (rakétahajtómű, fizikai reaktor) részleteiről még nem tudunk mit mondani.

Az egyetemes gravitáció ereje a galaxisok születésének eredeténél

Az egyetemes gravitáció ereje a galaxisok születésének eredete a csillag előtti anyagból, ahogyan V. A. Ambartsumyan akadémikus meg van győződve. Kioltja azokat a csillagokat is, amelyek kiégették az idejüket, mivel elköltötték a születésükkor nekik kiosztott csillagüzemanyagot.

Igen, nézz körül: a Földön mindent nagyrészt ez az erő irányít.

Ő határozza meg bolygónk réteges szerkezetét - a litoszféra, a hidroszféra és a légkör váltakozását. Ő az, aki egy vastag léggázréteget tart fenn, amelynek alján és aminek köszönhetően mindannyian létezünk.

Ha nem lenne gravitáció, a Föld azonnal kitörne a Nap körüli pályájáról, és maga a földgömb is szétesne, centrifugális erőktől szétszakítva. Nehéz olyat találni, ami ilyen vagy olyan mértékben ne függne az egyetemes gravitáció erejétől.

Természetesen az ókori filozófusok, nagyon figyelmes emberek nem tudták figyelmen kívül hagyni, hogy a felfelé hajított kő mindig visszajön. Platón a Kr.e. 4. században ezt azzal magyarázta, hogy az Univerzum összes anyaga oda hajlik, ahol a legtöbb hasonló anyag koncentrálódik: egy eldobott kő a földre esik vagy a fenékre kerül, a kiömlött víz beszivárog a legközelebbi tóba, ill. egy folyóba, amely a tenger felé tör, a tűz füstje rohan a rokon felhőire.

Platón egyik tanítványa, Arisztotelész felvilágosította, hogy minden testnek megvannak a sajátos tulajdonságai: nehéz és könnyű. A nehéz testek - kövek, fémek - az univerzum középpontjába rohannak, a fények - tűz, füst, gőzök - a perifériára. Ez a hipotézis, amely megmagyarázza az egyetemes gravitációs erővel kapcsolatos jelenségek egy részét, több mint 2 ezer éve létezik.

Tudósok a gravitációs erőről

Valószínűleg az első, aki felvetette a kérdést gravitációs erő valóban tudományos volt a reneszánsz zsenije – Leonardo da Vinci. Leonardo kijelentette, hogy a gravitáció nemcsak a Földre jellemző, hanem sok súlypont is van. És azt is javasolta, hogy a gravitációs erő a súlypont távolságától függ.

Kopernikusz, Galilei, Kepler, Robert Hooke művei egyre közelebb hoztak az egyetemes gravitáció törvényének gondolatához, de végső megfogalmazásában ez a törvény örökre Isaac Newton nevéhez fűződik.

Isaac Newton a gravitációs erőről

1643. január 4-én született. A Cambridge-i Egyetemen végzett, bachelor lett, majd a tudomány mestere.

Isaac Newton

Minden, ami ezután következik, tudományos munkák végtelen tárháza. De fő műve a "Természetfilozófia matematikai alapelvei", amelyet 1687-ben adtak ki, és általában egyszerűen "Kezdetek"-nek hívják. Bennük fogalmazódik meg a nagy. Valószínűleg mindenki emlékszik rá a középiskolából.

Minden test olyan erővel vonzódik egymáshoz, amely egyenesen arányos e testek tömegének szorzatával, és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével ...

Ennek a megfogalmazásnak egyes rendelkezéseit Newton elődjei előre láthatták, de teljes egészében még nem adták át senkinek. Newton zsenialitása kellett ahhoz, hogy ezeket a töredékeket egyetlen egésszé összeállítsa, hogy a Föld vonzerejét a Holdhoz, a Naphoz pedig az egész bolygórendszerhez elterjessze.

Newton az egyetemes gravitáció törvényéből származtatta a bolygók mozgásának minden törvényét, amelyet korábban Kepler fedezett fel. Ezek egyszerűen a következményei voltak. Sőt, Newton kimutatta, hogy nemcsak Kepler törvényei, hanem ezektől a törvényektől való eltérések is (a három vagy több test világában) az egyetemes gravitáció eredménye... Ez a tudomány nagy diadala volt.

Úgy tűnt, végre felfedezték és matematikailag leírták a természet fő, a világokat mozgató erejét, azt az erőt, amelynek a levegő, az alma és a Nap molekulái ki vannak téve. Óriási, mérhetetlenül hatalmas lépés volt Newton.

A zseniális tudós munkásságának első népszerűsítője, a Voltaire álnéven világhírű francia író, Francois Marie Arouet elmondta, hogy Newton hirtelen megsejtette a róla elnevezett törvény létezését, amikor egy hulló almára nézett.

Maga Newton soha nem említette ezt az almát. És aligha érdemes ma időt vesztegetni ennek a szép legendának a cáfolatára. És úgy tűnik, Newton logikus érveléssel értette meg a természet hatalmas erejét. Valószínűleg bekerült a „Kezdetek” megfelelő fejezetébe.

A gravitációs erő befolyásolja az atommag repülését

Tegyük fel, hogy egy nagyon magas hegyen, olyan magasan, hogy a csúcsa már kikerült a légkörből, egy gigantikus tüzérségi darabot állítottunk fel. Csőjét szigorúan párhuzamosan helyezték el a földgömb felszínével, és kilőtték. Az ív leírása a mag a földre esik.

Növeljük a töltetet, javítjuk a lőpor minőségét, így vagy úgy, a következő lövés után nagyobb sebességgel mozgatjuk a magot. A mag által leírt ív laposabbá válik. A mag sokkal távolabb esik hegyünk lábától.

Növeljük a töltést és lőjük is. Az atommag olyan szelíd pályán repül, hogy párhuzamosan ereszkedik le a földgömb felszínével. A mag már nem tud leesni a Földre: ugyanolyan sebességgel, ahogy zuhan, a Föld kiszabadul alóla. És miután leírtuk a bolygónkat körülvevő gyűrűt, a mag visszatér a kiindulási ponthoz.

A pisztolyt időközben el lehet távolítani. Végül is az atommagnak a Föld körüli repülése több mint egy órát vesz igénybe. És akkor a mag gyorsan átsöpör a hegy tetején, és egy új körbe kerül a Föld körül. Esik, ha a mag, ahogy megbeszéltük, nem tapasztal légellenállást, akkor soha nem lesz képes.

Ehhez a magsebességnek közel 8 km/s-nak kell lennie. És ha növeli a mag repülési sebességét? Először ívben repül, gyengédebben, mint a földfelszín görbülete, és elkezd távolodni a Földtől. Ezzel párhuzamosan a sebessége a Föld gravitációja hatására csökkenni fog.

És végül, megfordulva, úgymond elkezd visszaesni a Földre, de elrepül mellette, és már nem egy kört, hanem egy ellipszist tesz meg. A mag pontosan ugyanúgy fog mozogni a Föld körül, ahogy a Föld a Nap körül, mégpedig egy ellipszis mentén, amelynek egyik fókuszában bolygónk középpontja fog elhelyezkedni.

Ha tovább növeljük az atommag kezdeti sebességét, az ellipszis jobban megnyúlik. Ezt az ellipszist úgy meg lehet feszíteni, hogy az atommag elérje a holdpályát, vagy még sokkal tovább is. De amíg ennek az atommagnak a kezdeti sebessége nem haladja meg a 11,2 km/s-t, addig a Föld műholdja marad.

Az atommag, amely kilövéskor több mint 11,2 km/s sebességet kapott, örökre elrepül a Földtől egy parabola pályán. Ha az ellipszis zárt görbe, akkor a parabola olyan görbe, amelynek két ága van a végtelenbe. Egy ellipszis mentén haladva, bármilyen hosszú legyen is, elkerülhetetlenül szisztematikusan visszatérünk a kiindulási ponthoz. Egy parabola mentén haladva soha nem térünk vissza a kiindulóponthoz.

De miután ezzel a sebességgel elhagyta a Földet, az atommag még nem lesz képes a végtelenbe repülni. A Nap erőteljes gravitációja elhajtja repülésének pályáját, és úgy zárja maga köré, mint egy bolygó pályája. A mag a Föld testvére lesz, egy apró bolygó a saját bolygócsaládunkban.

Ahhoz, hogy az atommagot a bolygórendszeren kívülre irányítsuk, a napvonzást leküzdjük, 16,7 km/s-nál nagyobb sebességet kell neki mondani, és úgy irányítani, hogy ehhez a sebességhez a Föld saját mozgásának sebessége is hozzáadódjon. .

A körülbelül 8 km/s sebességet (ez a sebesség a hegy magasságától függ, ahonnan a fegyverünk kilő) körsebességnek nevezzük, a 8–11,2 km/s sebesség elliptikus, a 11,2–16,7 km/s pedig parabola. e szám felett pedig – felszabadító sebességek.

Itt hozzá kell tenni, hogy ezeknek a sebességeknek a megadott értékei csak a Földre érvényesek. Ha a Marson élnénk, a körsebességet sokkal könnyebben elérhetnénk - ott csak körülbelül 3,6 km/s, a parabola sebessége pedig alig haladja meg az 5 km/s-ot.

A Jupiterről viszont sokkal nehezebb lenne űrrepülésre küldeni az atommagot, mint a Földről: a körsebesség ezen a bolygón 42,2 km/s, a parabola sebessége pedig még 61,8 km/s!

A Nap lakói számára lenne a legnehezebb elhagyni világukat (ha persze ilyen létezhetne). Ennek az óriásnak a körsebessége 437,6, az elválasztási sebesség pedig 618,8 km / s!

Tehát Newton a 17. század végén, száz évvel a Montgolfier fivérek által meleg levegővel megtöltött hőlégballon első repülése előtt, kétszáz évvel a Wright fivérek repülőgépének első repülése előtt és csaknem negyede egy évezreddel az első folyékony rakéták felszállása előtt mutatta meg az utat az ég felé a műholdaknak és az űrhajóknak.

A gravitációs erő minden szférában benne van

Keresztül a gravitáció törvénye ismeretlen bolygókat fedeztek fel, kozmogonikus hipotéziseket hoztak létre a Naprendszer eredetéről. Felfedezték és matematikailag leírták a természet fő erejét, amely irányítja a csillagokat, a bolygókat, az almákat a kertben és a gázmolekulákat a légkörben.

De nem ismerjük az egyetemes gravitáció mechanizmusát. A newtoni gravitáció nem magyarázza meg, hanem vizuálisan ábrázolja a bolygómozgás jelenlegi állapotát.

Nem tudjuk, mi okozza az Univerzum összes testének kölcsönhatását. És nem lehet azt mondani, hogy Newtont ez az ok nem érdekelte. Sok éven át töprengett a lehetséges mechanizmuson.

Ez egyébként valóban rendkívül titokzatos hatalom. Több száz millió kilométernyi térben megnyilvánuló, első ránézésre mindenféle anyagi képződménytől mentes erő, amivel meg lehetne magyarázni az interakció átadását.

Newton hipotézisei

És newton folyamodtak hipotézis egy bizonyos éter létezéséről, amely állítólag az egész Univerzumot betölti. 1675-ben a Földhöz való vonzódást azzal magyarázta, hogy az egész Univerzumot kitöltő éter folyamatos áramlásokban rohan a Föld középpontjába, ezzel a mozgással minden tárgyat megragad és gravitációs erőt hoz létre. Ugyanaz az éteráram rohan a Nap felé, és magával rántva a bolygókat, üstökösöket biztosítja azok elliptikus pályáját...

Nem volt túl meggyőző, bár matematikailag abszolút logikus hipotézis. De most, 1679-ben Newton felállított egy új hipotézist, amely megmagyarázza a gravitáció mechanizmusát. Ezúttal felruházza az étert azzal a tulajdonsággal, hogy a bolygók közelében és tőlük távoli koncentrációja eltérő. Minél távolabb van a bolygó középpontjától, annál sűrűbb az éter. És megvan az a tulajdonsága, hogy minden anyagi testet a sűrűbb rétegeiből kevésbé sűrűre présel ki. És minden test kiszorul a Föld felszínére.

1706-ban Newton élesen tagadja az éter létezését. 1717-ben ismét visszatér az éter kipréselésének hipotéziséhez.

Newton zseniális agya küzdött a nagy rejtély megoldásáért, de nem találta meg. Ez magyarázza az ilyen éles dobást egyik oldalról a másikra. Newton ezt szokta mondani:

Nem állítok fel hipotéziseket.

És bár, mint eddig csak igazolni tudtuk, ez nem teljesen igaz, mást határozottan állíthatunk: Newton képes volt egyértelműen megkülönböztetni a vitathatatlan dolgokat a bizonytalan és ellentmondásos hipotézisektől. Az Elemekben pedig ott van a nagy törvény képlete, de nem próbálják megmagyarázni a mechanizmusát.
A nagy fizikus ezt a rejtvényt a jövő emberére hagyta. 1727-ben halt meg.
Ma sem sikerült megoldani.

A Newton-törvény fizikai lényegéről folytatott vita két évszázadot vett igénybe. És talán ez a vita nem a törvény lényegét érintené, ha minden hozzá intézett kérdésre pontosan válaszolna.

De a helyzet az, hogy idővel kiderült, hogy ez a törvény nem általános. Hogy vannak esetek, amikor ezt vagy azt a jelenséget nem tudja megmagyarázni. Mondjunk példákat.

A gravitációs erő Seeliger számításaiban

Ezek közül az első Seeliger paradoxona. Az Univerzumot végtelennek és egyenletesen anyaggal töltöttnek tekintve Seeliger megpróbálta Newton törvénye szerint kiszámítani azt az egyetemes gravitációs erőt, amelyet a végtelen Univerzum egyes pontjain a végtelenül nagy tömege kelt.

A tiszta matematika szempontjából nem volt könnyű feladat. Leküzdve a legbonyolultabb átalakulások minden nehézségét, Seeliger megállapította, hogy az univerzális gravitáció kívánt ereje arányos az Univerzum sugarával. És mivel ez a sugár egyenlő a végtelennel, akkor a gravitációs erőnek végtelenül nagynak kell lennie. A gyakorlatban azonban ezt nem látjuk. Ez azt jelenti, hogy az egyetemes gravitáció törvénye nem vonatkozik az egész univerzumra.

A paradoxonnak azonban más magyarázata is lehetséges. Feltételezhetjük például, hogy az anyag nem egyenletesen tölti ki az egész Univerzumot, hanem sűrűsége fokozatosan csökken, és végül valahol nagyon messze nincs anyag. De elképzelni egy ilyen képet azt jelenti, hogy elismerjük a tér anyag nélküli létezésének lehetőségét, ami általában abszurd.

Feltételezhetjük, hogy a gravitációs erő gyorsabban gyengül, mint ahogy a távolság négyzete nő. Ez azonban kétségbe vonja Newton törvényének meglepő harmóniáját. Nem, és ez a magyarázat nem elégítette ki a tudósokat. A paradoxon paradoxon maradt.

Megfigyelések a Merkúr mozgásáról

Egy másik tény, az egyetemes gravitációs erő hatása, amelyet nem magyaráz meg Newton törvénye, hozott a Merkúr mozgásának megfigyelése- legközelebb a bolygóhoz. A Newton-törvény szerinti pontos számítások azt mutatták, hogy a perehélion - az ellipszis azon pontja, amely mentén a Merkúr a Naphoz legközelebb mozog - 100 év alatt 531 ívmásodpercet kell eltolnia.

A csillagászok pedig azt találták, hogy ez az eltolódás 573 ívmásodpercnek felel meg. Ezt a többletet - 42 ívmásodperc - a tudósok sem tudták megmagyarázni, csupán a Newton-törvényből fakadó képletekkel.

Megmagyarázta Seeliger paradoxonát, a Merkúr perhelionjának elmozdulását és sok más paradox jelenséget és megmagyarázhatatlan tényt. Albert Einstein, minden idők egyik legnagyobb, ha nem a legnagyobb fizikusa. Az idegesítő apróságok közé tartozott a kérdés éteri szél.

Michelson Albert kísérletei

Úgy tűnt, ez a kérdés nem érinti közvetlenül a gravitáció problémáját. Az optikához, a fényhez kapcsolódott. Pontosabban a sebességének meghatározásához.

A dán csillagász volt az első, aki meghatározta a fénysebességet. Olaf Remer nézi a Jupiter holdjainak fogyatkozását. Ez már 1675-ben megtörtént.

amerikai fizikus Albert Michelson a 18. század végén egy sor fénysebesség-meghatározást végzett földi körülmények között, az általa tervezett készülékkel.

1927-ben 299796 + 4 km/s-nak adta meg a fénysebességet, ami akkoriban kiváló pontosságnak számított. De a dolog lényege más. 1880-ban úgy döntött, hogy megvizsgálja az éteri szelet. Végre meg akarta állapítani annak az éternek a létezését, amelynek jelenlétével megpróbálták megmagyarázni a gravitációs kölcsönhatás és a fényhullámok átvitelét.

Michelson valószínűleg korának legfigyelemreméltóbb kísérletezője volt. Kiváló felszerelése volt. És szinte biztos volt a sikerben.

A tapasztalat lényege

Tapasztalatígy fogant fel. A Föld a pályáján körülbelül 30 km/s sebességgel mozog.. A levegőben mozog. Ez azt jelenti, hogy a vevő előtt lévő forrásból származó fény sebességének nagyobbnak kell lennie a Föld mozgásához képest, mint a másik oldalon lévő forrásból. Az első esetben az éteri szél sebességét hozzá kell adni a fénysebességhez, a második esetben a fénysebességnek ezzel az értékkel kell csökkennie.

Természetesen a Föld sebessége a Nap körüli pályáján a fénysebességnek csak egytizede. Egy ilyen kis kifejezést nagyon nehéz megtalálni, de Michelsont okkal nevezték a pontosság királyának. Ötletes módszert alkalmazott a fénysugarak sebességének "megfoghatatlan" különbségének megragadására.

A sugarat két egyenlő sugárra osztotta, és egymásra merőleges irányba irányította: a meridián és a párhuzamos mentén. A tükrökről visszaverődő sugarak visszatértek. Ha a párhuzamos mentén haladó nyaláb az éteri szél hatását tapasztalná, akkor a meridionális nyalábhoz hozzáadva interferenciaperemek keletkeztek volna, a két nyaláb hullámai fázisban eltolódtak volna.

Michelsonnak azonban nehéz volt mindkét sugár útját olyan nagy pontossággal megmérni, hogy azok pontosan azonosak legyenek. Ezért úgy építette meg a készüléket, hogy ne legyenek interferenciaperemek, majd 90 fokkal elfordította.

A meridionális gerenda szélességi irányú lett és fordítva. Ha éteri szél fúj, fekete és világos csíkok jelenjenek meg az okulár alatt! De nem voltak azok. Lehet, hogy az eszköz forgatásakor a tudós megmozdította.

Délben felállította és megjavította. Hiszen amellett, hogy a tengelye körül is forog. Ezért a nap különböző szakaszaiban a szélességi sugár eltérő pozíciót foglal el a közeledő éteri szélhez képest. Most, amikor a készülék szigorúan mozdulatlan, meg lehet győződni a kísérlet pontosságáról.

Ismét nem volt interferencia perem. A kísérletet sokszor elvégezték, és Michelson és vele együtt az akkori összes fizikus is lenyűgözött. Az éteri szelet nem észlelték! A fény minden irányba azonos sebességgel haladt!

Ezt senki sem tudta megmagyarázni. Michelson újra és újra megismételte a kísérletet, továbbfejlesztette a berendezést, és végül szinte hihetetlen mérési pontosságot ért el, a kísérlet sikeréhez szükségesnél egy nagyságrenddel nagyobbat. És megint semmi!

Albert Einstein kísérletei

A következő nagy lépés a gravitációs erő ismerete készült Albert Einstein.
Albert Einsteint egyszer megkérdezték:

Hogyan jutott el a speciális relativitáselméletéhez? Milyen körülmények között jutott eszébe egy zseniális ötlet? A tudós így válaszolt: „Mindig is úgy tűnt számomra, hogy ez a helyzet.

Talán nem akart őszinte lenni, talán meg akart szabadulni a bosszantó beszélgetőtárstól. De nehéz elképzelni, hogy Einstein elképzelése az idő, a tér és a sebesség összefüggéseiről veleszületett volt.

Nem, persze eleinte volt egy sejtés, fényes, mint a villám. Aztán elkezdődött a fejlesztés. Nem, nincsenek ellentmondások az ismert jelenségekkel. Aztán megjelent az az öt képletekkel teli oldal, amelyeket egy fizikai folyóiratban publikáltak. Oldalak, amelyek új korszakot nyitottak a fizikában.

Képzelj el egy űrhajót, amely az űrben repül. Azonnal figyelmeztetünk: a csillaghajó nagyon sajátos, olyan, amilyenről a tudományos-fantasztikus történetekben nem olvastál. A hossza 300 ezer kilométer, a sebessége pedig mondjuk 240 ezer km/s. És ez az űrhajó elrepül az űrben az egyik közbenső platform mellett, anélkül, hogy megállna. Teljes sebességgel.

Az egyik utas a csillaghajó fedélzetén áll órával. És te és én, olvasó, egy emelvényen állunk - a hosszának meg kell felelnie egy csillaghajó méretének, azaz 300 ezer kilométernek, különben nem tud hozzátapadni. És van egy óra is a kezünkben.

Észrevesszük, hogy abban a pillanatban, amikor a csillaghajó orra utolérte platformunk hátsó szélét, egy lámpa villant rajta, megvilágítva az őt körülvevő teret. Egy másodperccel később egy fénysugár elérte a platformunk elülső szélét. Ebben nem kételkedünk, hiszen ismerjük a fénysebességet, és sikerült pontosan meghatároznunk a megfelelő pillanatot az órán. És egy csillaghajón...

De a csillaghajó is a fénysugár felé repült. És egészen határozottan láttuk, hogy a fény megvilágította a tatját abban a pillanatban, amikor valahol az emelvény közepe közelében volt. Határozottan láttuk, hogy a fénysugár az orrtól a hajó faráig nem terjedt el 300 ezer kilométert.

De a csillaghajó fedélzetén ülő utasok másban is biztosak. Biztosak abban, hogy sugaruk lefedte a teljes távolságot az orrtól a tatig, 300 ezer kilométert. Végül is egy egész másodpercet töltött rá. Ők is teljesen pontosan rögzítették az óráikon. És hogyan is lehetne másként: elvégre a fény sebessége nem függ a forrás sebességétől ...

Hogy hogy? Egyet látunk egy fix platformról, és egy másikat nekik egy csillaghajó fedélzetén? Mi a helyzet?

Einstein relativitáselmélete

Azonnal meg kell jegyezni: Einstein relativitáselmélete első pillantásra teljesen ellentmond a világ szerkezetéről kialakított elképzelésünknek. Mondhatjuk, hogy a józan észnek is ellentmond, hiszen ezt szoktuk bemutatni. Ez sokszor megtörtént a tudomány történetében.

De a Föld gömbölyűségének felfedezése ellentétes volt a józan ésszel. Hogyan élhetnek az emberek az ellenkező oldalon, és nem esnek a szakadékba?

Számunkra a Föld gömbölyűsége kétségtelen tény, és a józan ész szempontjából minden más feltételezés értelmetlen és vad. De lépj vissza az idődből, képzeld el ennek az ötletnek az első megjelenését, és meg fogod érteni, milyen nehéz lenne elfogadni.

Nos, könnyebb volt beismerni, hogy a Föld nem mozdul, hanem több tucatszor gyorsabban repül a pályáján, mint egy ágyúgolyó?

Ezek mind a józan ész roncsai voltak. Ezért a modern fizikusok soha nem hivatkoznak rá.

Most térjünk vissza a speciális relativitáselmélethez. A világ először 1905-ben ismerte fel egy kevéssé ismert név - Albert Einstein - által aláírt cikkből. És akkor még csak 26 éves volt.

Einstein ebből a paradoxonból egy nagyon egyszerű és logikus feltételezést fogalmazott meg: a peronon tartózkodó szemlélő szempontjából kevesebb idő telt el egy mozgó autóban, mint amennyit az Ön karórája mért. Az autóban lelassult az idő múlása az álló peronon eltöltött időhöz képest.

Egészen elképesztő dolgok logikusan következtek ebből a feltevésből. Kiderült, hogy egy villamoson munkába utazó ember egy ugyanígy haladó gyalogoshoz képest nemcsak időt takarít meg a sebesség miatt, hanem lassabban is megy neki.

Az örök fiatalságot azonban ne így próbáld megőrizni: hiába leszel kocsis, és életed egyharmadát villamoson töltöd, 30 év alatt alig nyersz többet egy milliomod másodpercnél. Ahhoz, hogy az időnövekedés észrevehető legyen, a fénysebességhez közeli sebességgel kell mozogni.

Kiderült, hogy a testek sebességének növekedése tükröződik tömegükben. Minél közelebb van egy test sebessége a fény sebességéhez, annál nagyobb a tömege. A fénysebességnek megfelelő test tömege a végtelennel egyenlő, vagyis nagyobb, mint a Föld, a Nap, a Galaxis, az egész Univerzum tömege... Ennyi a tömege egy egyszerű macskakőbe koncentrálható, felgyorsítva azt
Sveta!

Ez olyan korlátozást támaszt, amely nem teszi lehetővé egyetlen anyagi test számára sem, hogy a fénysebességgel azonos sebességet fejlesszen ki. Hiszen ahogy növekszik a tömeg, úgy egyre nehezebb szétoszlatni. Egy végtelen tömeget pedig semmilyen erő nem mozdíthat el.

A természet azonban nagyon fontos kivételt tett e törvény alól a részecskék egész osztályára vonatkozóan. Például a fotonokhoz. Fénysebességgel tudnak mozogni. Pontosabban, más sebességgel nem tudnak mozogni. Elképzelhetetlen egy mozdulatlan fotont elképzelni.

Álló állapotban nincs tömege. Ezenkívül a neutrínóknak nincs nyugalmi tömegük, és arra vannak ítélve, hogy az univerzumunkban a lehető legnagyobb sebességgel folytassák az örökös, féktelen repülést az űrben anélkül, hogy megelőznék a fényt és lépést tartanának vele.

Nem igaz, hogy az általunk felsorolt ​​speciális relativitáselmélet minden egyes következménye meglepő, paradox! És természetesen mindegyik ellenkezik a "józan ész"-vel!

De itt van az érdekes: nem konkrét formájában, hanem tág filozófiai álláspontként mindezen elképesztő következményeket előre jelezték a dialektikus materializmus megalapítói. Mit mondanak ezek a következmények? Azokról a kapcsolatokról, amelyek egy mozgó tárgy energiáját és tömegét, tömegét és sebességét, sebességét és idejét, sebességét és hosszát összekötik…

Einstein felfedezése az egymásrautaltságról, mint a cement (tovább:), amely az erősítést vagy alapköveket kapcsolta össze, összekapcsolta a korábban egymástól függetlennek tűnő dolgokat és jelenségeket, és megteremtette azt az alapot, amelyre a tudomány történetében először. harmonikus épületet lehet építeni. Ez az épület az univerzumunk működését mutatja be.

De először legalább néhány szót az általános relativitáselméletről, amelyet szintén Albert Einstein alkotott meg.

Albert Einstein

Ez az elnevezés - az általános relativitáselmélet - nem egészen felel meg az elmélet tartalmának, amelyről szó lesz. Kölcsönös függőséget teremt a tér és az anyag között. Nyilván helyesebb lenne így nevezni tér-idő elmélet, vagy gravitációs elmélet.

De ez a név olyan szorosan összenőtt Einstein elméletével, hogy sok tudós számára még a leváltás kérdésének felvetése is illetlennek tűnik.

Az általános relativitáselmélet megállapította az anyag és az azt tartalmazó tér és idő közötti kölcsönös függőséget. Kiderült, hogy a tér és az idő nemcsak hogy nem képzelhető el az anyagtól külön létezőként, hanem tulajdonságaik is az őket kitöltő anyagtól függenek.

A vita kiindulópontja

Ezért csak megadni lehet a vita kiindulópontjaés vonjon le néhány fontos következtetést.

Az űrutazás elején váratlan katasztrófa tönkretette a könyvtárat, a filmtárat és az elme egyéb tárházát, az űrben átrepülő emberek emlékét. A bennszülött bolygó természete pedig feledésbe merül az évszázadok változásában. Még az egyetemes gravitáció törvényét is elfelejtik, mert a rakéta az intergalaktikus térben repül, ahol szinte nem is érezhető.

A hajó motorjai azonban kiválóan működnek, az akkumulátorokban gyakorlatilag korlátlan az energiaellátás. A hajó legtöbbször tehetetlenséggel mozog, lakói hozzászoktak a súlytalansághoz. De néha bekapcsolják a motorokat, és lelassítják vagy felgyorsítják a hajó mozgását. Amikor a sugárfúvókák színtelen lánggal lángolnak az űrbe, és a hajó felgyorsul, a lakók úgy érzik, hogy testük elnehezül, kénytelenek körbejárni a hajót, és nem repülni a folyosókon.

És most a repülés a végéhez közeledik. A hajó felrepül az egyik csillaghoz, és a legalkalmasabb bolygó pályájára esik. A csillaghajók kialszanak, üde zöld talajon sétálnak, állandóan ugyanazt a nehézség érzést élik át, ami már abból az időből ismerős, amikor a hajó gyorsított ütemben haladt.

De a bolygó egyenletesen mozog. Nem tud feléjük repülni állandó 9,8 m/s2 gyorsulással! És van az első feltételezésük, hogy a gravitációs tér (gravitációs erő) és a gyorsulás ugyanazt a hatást fejti ki, és talán közös a természetük.

Egyetlen földi kortársunk sem volt ilyen hosszú repülésen, de sokan érezték a testük „nehezedésének” és „könnyedésének” jelenségét. Már egy közönséges lift, amikor gyorsított ütemben mozog, létrehozza ezt az érzést. Süllyedéskor hirtelen súlyvesztést érzel, emelkedésnél éppen ellenkezőleg, a padló a szokásosnál nagyobb erővel nyomja a lábaidat.

De egy érzés nem bizonyít semmit. Hiszen az érzetek arról próbálnak meggyőzni minket, hogy a Nap az égen mozog a mozdulatlan Föld körül, hogy minden csillag és bolygó azonos távolságra van tőlünk, az égbolton stb.

A tudósok kísérleti ellenőrzésnek vetették alá az érzéseket. Még Newton is elgondolkodott a két jelenség furcsa azonosságán. Megpróbált számszerű jellemzőket adni nekik. Miután megmérte a gravitációs és -t, meggyőződött arról, hogy ezek értékei mindig szigorúan megegyeznek egymással.

Bármilyen anyagból készítette a kísérleti üzem ingáit: ezüstből, ólomból, üvegből, sóból, fából, vízből, aranyból, homokból, búzából. Az eredmény ugyanaz volt.

Egyenértékűség elve, amelyről beszélünk, az általános relativitáselmélet alapja, bár az elmélet modern értelmezésének már nincs szüksége erre az elvre. Az ebből az elvből következő matematikai levezetéseket mellőzve, térjünk át közvetlenül az általános relativitáselmélet néhány következményére.

A nagy tömegű anyag jelenléte nagymértékben befolyásolja a környező teret. Olyan változásokhoz vezet benne, amelyek a tér inhomogenitásaként definiálhatók. Ezek az inhomogenitások irányítják minden olyan tömeg mozgását, amelyek közel vannak a vonzó testhez.

Általában ilyen analógiához folyamodnak. Képzelj el egy vásznat, amely szorosan a földfelszínnel párhuzamos keretre van kifeszítve. Tegyél rá nagy súlyt. Ez lesz a mi nagy vonzó tömegünk. Természetesen meghajlítja a vásznat, és valami mélyedésbe kerül. Most görgessük át a labdát ezen a vászonon úgy, hogy útjának egy része a vonzerő massza mellett legyen. Attól függően, hogy a labda hogyan indul, három lehetőség közül választhat.

1. A labda elég messzire repül a vászon elhajlása által létrehozott mélyedéstől, és nem fogja megváltoztatni a mozgását.
2. A labda megérinti a mélyedést, és mozgásának vonalai a vonzó tömeg felé hajlanak.
3. A labda beleesik ebbe a lyukba, nem tud kijutni onnan, és egy-két fordulatot tesz a gravitációs tömeg körül.

Nem igaz, hogy a harmadik lehetőség nagyon szépen modellezi a vonzáskörükbe hanyagul berepült idegen test csillag vagy bolygó általi elfogását?

A második eset pedig a lehetséges befogási sebességnél nagyobb sebességgel repülő test röppályájának meghajlítása! Az első eset hasonló a gravitációs mező gyakorlati hatókörén kívüli repüléshez. Igen, praktikus, mert elméletileg a gravitációs tér korlátlan.

Természetesen ez egy nagyon távoli hasonlat, elsősorban azért, mert senki sem tudja igazán elképzelni háromdimenziós terünk elhajlását. Hogy mi a fizikai jelentése ennek az elhajlásnak vagy görbületnek, ahogy gyakran mondják, senki sem tudja.

Az általános relativitáselméletből következik, hogy bármely anyagi test csak görbe vonalak mentén mozoghat a gravitációs térben. A görbe csak különösen különleges esetekben válik egyenessé.

Ennek a szabálynak a fénysugár is engedelmeskedik. Végül is olyan fotonokból áll, amelyek repülés közben bizonyos tömeggel rendelkeznek. A gravitációs tér pedig hatással van rá, akárcsak egy molekulára, egy aszteroidára vagy egy bolygóra.

Egy másik fontos következtetés, hogy a gravitációs tér is megváltoztatja az idő lefolyását. Nagy vonzó tömeg közelében, az általa létrehozott erős gravitációs térben az idő múlásának lassabbnak kell lennie, mint attól távol.

Látod, az általános relativitáselmélet tele van paradox következtetésekkel, amelyek újra és újra megdönthetik a „józan ész” elképzeléseinket!

Gravitációs összeomlás

Beszéljünk egy csodálatos kozmikus jelenségről - a gravitációs összeomlásról (katasztrófális kompresszió). Ez a jelenség gigantikus anyagfelhalmozódásokban fordul elő, ahol a gravitációs erők olyan hatalmas nagyságrendet érnek el, hogy semmilyen más, a természetben létező erő nem tud ellenállni nekik.

Emlékezzen Newton híres képletére: minél nagyobb a gravitációs erő, annál kisebb a gravitációs testek közötti távolság négyzete. Így minél sűrűbbé válik az anyagképződmény, minél kisebb a mérete, minél gyorsabban nőnek a gravitációs erők, annál elkerülhetetlenebb a pusztító ölelésük.

Van egy ravasz technika, amellyel a természet az anyag határtalannak tűnő összenyomódásával küzd. Ennek érdekében megállítja az idő lefutását a szuperóriás gravitációs erők hatásterében, és a megbilincselt anyagtömegek mintegy kikapcsolva Univerzumunkból, furcsa letargikus álomba fagynak.

A kozmosz ilyen „fekete lyukai” közül az elsőt valószínűleg már felfedezték. O. Kh. Huseynov és A. Sh. Novruzova szovjet tudósok feltételezése szerint ez az Ikrek delta - kettős csillag egy láthatatlan komponenssel.

A látható komponens tömege 1,8 napelem, láthatatlan "partnerének" pedig a számítások szerint négyszer nagyobb tömegűnek kell lennie, mint a láthatóé. De ennek nyoma sincs: a természet legcsodálatosabb teremtményét, a „fekete lyukat” látni sem lehet.

A szovjet tudós, K. P. Sztanyukovics professzor, mint mondják, „a toll hegyén”, pusztán elméleti konstrukciókon keresztül megmutatta, hogy a „fagyott anyag” részecskéi nagyon változatos méretűek lehetnek.

• Gigantikus képződményei a kvazárokhoz hasonlóan lehetségesek, folyamatosan annyi energiát sugároznak, amennyit Galaxisunk mind a 100 milliárd csillaga kisugároz.
• Sokkal szerényebb csomók is lehetségesek, amelyek csak néhány naptömegnek felelnek meg. Mind ezek, mind más tárgyak maguk keletkezhetnek közönséges, nem „alvó” anyagból.
• És teljesen más osztályba tartozó képződmények is lehetségesek, tömegük arányos az elemi részecskékkel.

Ahhoz, hogy létrejöhessenek, először óriási nyomásnak kell alávetni az őket alkotó anyagot, és a Schwarzschild-szféra határaiba kell terelni - egy olyan szférába, ahol a külső szemlélő ideje teljesen megáll. És még ha ezután a nyomást is megszüntetjük, azok a részecskék, amelyek számára megállt az idő, továbbra is léteznek, függetlenül az Univerzumunktól.

plankeonok

A plankeonok a részecskék egy nagyon különleges osztálya. K. P. Sztanyukovics szerint rendkívül érdekes tulajdonsággal rendelkeznek: változatlan formában hordozzák magukban az anyagot, mint amilyen millió és milliárd évvel ezelőtt volt. A plankeon belsejébe tekintve láthattuk az anyagot olyannak, amilyen volt univerzumunk születése idején. Elméleti számítások szerint az Univerzumban körülbelül 1080 plankeon található, körülbelül egy plankeon egy 10 centiméteres oldalú térkockában. Egyébként Sztanyukovicsszal és (attól függetlenül a plankeonok hipotézisét M. A. Markov akadémikus terjesztette elő. Csak Markov adott nekik más nevet - maximonokat).

A plankeonok speciális tulajdonságai az elemi részecskék olykor paradox átalakulásának magyarázatára is felhasználhatók. Ismeretes, hogy amikor két részecske ütközik, soha nem keletkeznek töredékek, hanem más elemi részecskék keletkeznek. Ez valóban elképesztő: a hétköznapi világban egy vázát összetörve soha nem kapunk egész poharakat vagy még rozettákat sem. De tegyük fel, hogy minden elemi részecske mélyén van egy plankeon, egy vagy több, és néha sok plankeon.

A részecskék ütközésének pillanatában a plankeon szorosan megkötött "zsákja" enyhén kinyílik, egyes részecskék "beleesnek", és "kiugrik" helyett azok, amelyeket az ütközés során keletkezettnek tekintünk. Ugyanakkor a plankeon, mint szorgalmas könyvelő, biztosítani fogja az elemi részecskék világában elfogadott összes "megőrző törvényt".
Nos, mi köze ehhez az egyetemes gravitáció mechanizmusának?

K. P. Sztanyukovics hipotézise szerint a gravitációért "felelős" apró részecskék, az úgynevezett gravitonok, amelyeket az elemi részecskék folyamatosan bocsátanak ki. A gravitonok annyival kisebbek, mint az utóbbiak, mint amennyire kisebb a napsugárban táncoló porszem a földgömbnél.

A gravitonok sugárzása számos törvényszerűségnek engedelmeskedik. Különösen könnyebben berepülhetnek az űr adott régiójába. Ami kevesebb gravitont tartalmaz. Ez azt jelenti, hogy ha két égitest van a térben, akkor mindkettő túlnyomórészt „kifelé”, egymással ellentétes irányba sugároz gravitonokat. Ez olyan impulzust hoz létre, amely arra készteti a testeket, hogy közeledjenek egymáshoz, vonzzák egymást.

Ebben a részben Newton csodálatos sejtéséről fogunk beszélni, amely az egyetemes gravitáció törvényének felfedezéséhez vezetett.
Miért esik a földre a kézből kiszabaduló kő? Mert vonzza a Föld, mindegyikőtök elmondja. Valójában a kő szabadesési gyorsulással esik a Földre. Következésképpen a kőre a Föld felől a Föld felé irányuló erő hat. Newton harmadik törvénye szerint a kő a Földön is ugyanolyan erőmodulussal hat a kő felé. Más szóval, a kölcsönös vonzás erői hatnak a Föld és a kő között.
Newton sejtése
Newton volt az első, aki először megsejtette, majd szigorúan be is bizonyította, hogy egy kő Földre zuhanásának, a Holdnak a Föld körüli mozgásának és a bolygók Nap körüli mozgásának oka egy és ugyanaz. Ez az Univerzum bármely teste között ható gravitációs erő. Íme az érvelésének menete, amelyet Newton "Mathematical Principles of Natural Philosophy" című fő művében adott: "A vízszintesen dobott kő el fog térni
, \\
1
/ /
Nál nél
Rizs. 3.2
a gravitáció hatására egy egyenes útról, és miután leírt egy görbe pályát, végül lezuhan a Földre. Ha nagyobb sebességgel dobod, ! akkor tovább fog esni” (3.2. ábra). Folytatva ezeket a megfontolásokat, Newton arra a következtetésre jut, hogy ha nem lenne légellenállás, akkor egy magas hegyről bizonyos sebességgel kidobott kő röppályája olyanná válhatna, hogy soha nem érné el a Föld felszínét. de mozogna körülötte "úgy, ahogy a bolygók leírják pályájukat az égi térben".
Mostanra már annyira megszoktuk a műholdak Föld körüli mozgását, hogy Newton gondolatát nem kell bővebben kifejteni.
Newton szerint tehát a Hold mozgása a Föld körül vagy a bolygók a Nap körül is szabadesés, de csak olyan esés, amely évmilliárdokig megállás nélkül tart. Az ilyen „zuhanásnak” (akár tényleg egy közönséges kő Földre zuhanásáról beszélünk, akár a bolygók keringési pályájukon való mozgásáról beszélünk) az egyetemes gravitáció ereje. Mitől függ ez az erő?
A gravitációs erő függése a testek tömegétől
Az 1.23. §-ban a testek szabadeséséről beszéltünk. Szóba kerültek Galilei kísérletei, amelyek bebizonyították, hogy a Föld azonos gyorsulást közöl az adott helyen lévő összes testtel, függetlenül azok tömegétől. Ez csak akkor lehetséges, ha a Föld vonzási ereje egyenesen arányos a test tömegével. Ebben az esetben a szabadesés gyorsulása, amely megegyezik a gravitációs erő és a test tömegének arányával, állandó érték.
Valójában ebben az esetben az m tömeg növekedése például kétszeresére az F erő modulusának kétszeres növekedéséhez vezet, valamint a gyorsuláshoz.
F
rénium, amely egyenlő a - arányával, változatlan marad.
Általánosítva ezt a következtetést a testek közötti nehézségi erőkre vonatkozóan, arra a következtetésre jutunk, hogy az egyetemes gravitáció ereje egyenesen arányos annak a testnek a tömegével, amelyre ez az erő hat. De legalább két test részt vesz a kölcsönös vonzásban. Newton harmadik törvénye szerint mindegyikre ugyanaz a gravitációs erők modulusa vonatkozik. Ezért ezen erők mindegyikének arányosnak kell lennie az egyik test tömegével és a másik test tömegével.
Ezért a két test közötti egyetemes gravitációs erő egyenesen arányos tömegük szorzatával:
F - itt2. (3.2.1)
Mi határozza meg még az adott testre egy másik testtől ható gravitációs erőt?
A gravitációs erő függése a testek közötti távolságtól
Feltételezhető, hogy a gravitációs erő a testek közötti távolságtól függ. Ennek a feltevésnek a helyességének ellenőrzése és a gravitációs erő testek közötti távolságtól való függésének megállapítása érdekében Newton a Föld műholdjának - a Holdnak a mozgásához fordult. A mozgását akkoriban sokkal pontosabban tanulmányozták, mint a bolygók mozgását.
A Hold Föld körüli forgása a köztük lévő gravitációs erő hatására történik. Hozzávetőlegesen a Hold pályája körnek tekinthető. Ezért a Föld centripetális gyorsulást kölcsönöz a Holdnak. A képlet alapján számítják ki
l 2
a \u003d - Tg
ahol B a Hold pályájának sugara, ami a Föld körülbelül 60 sugarával egyenlő, T = 27 nap 7 óra 43 perc \u003d 2,4 106 s a Hold Föld körüli keringésének időszaka. Figyelembe véve, hogy a Föld sugara R3 = 6,4 106 m, azt kapjuk, hogy a Hold centripetális gyorsulása egyenlő:
2 6 4k 60 ¦ 6,4 ¦ 10
M „ „„ „. , ról ről
a = 2 ~ 0,0027 m/s*.
(2,4 ¦ 106 s)
A gyorsulás talált értéke megközelítőleg 3600 = 602-szer kisebb, mint a Föld felszínéhez közeli testek szabadesésének gyorsulása (9,8 m/s2).
Így a test és a Föld közötti távolság 60-szoros növekedése a föld gravitációja által kiváltott gyorsulás, és ennek következtében maga a gravitációs erő 602-szeres csökkenéséhez vezetett.
Ebből egy fontos következtetésre jutunk: a testeknek a Földhöz való vonzódási erő által adott gyorsulása fordított arányban csökken a Föld középpontjától mért távolság négyzetével:
ci
a = -k, (3.2.2)
R
ahol Cj egy állandó együttható, minden testre azonos.
Kepler törvényei
A bolygók mozgásának vizsgálata kimutatta, hogy ezt a mozgást a Nap felé irányuló gravitációs erő okozza. Tycho Brahe dán csillagász gondos, hosszú távú megfigyelései alapján Johannes Kepler német tudós a 17. század elején. megállapította a bolygómozgás kinematikai törvényeit – az úgynevezett Kepler-törvényeket.
Kepler első törvénye
Minden bolygó ellipszisben mozog, és az egyik gócban a Nap található.
Az ellipszis (3.3. ábra) egy lapos zárt görbe, amelynek bármely pontja és két fix pont, úgynevezett góc távolságának összege állandó. Ez a távolságösszeg egyenlő az ellipszis AB nagytengelyének hosszával, azaz.
FgP + F2P = 2b,
ahol Fl és F2 az ellipszis fókuszai, és b = ^^ a fél-főtengelye; O az ellipszis középpontja. A pálya Naphoz legközelebbi pontját perihéliumnak, a tőle legtávolabbi pontot p-nek nevezzük.

NÁL NÉL
Rizs. 3.4
"2
B A A afelion. Ha a Nap Fr fókuszban van (lásd 3.3. ábra), akkor az A pont a perihélium, a B pedig az aphelion.
Kepler második törvénye
A bolygó sugárvektora azonos időintervallumokra egyenlő területeket ír le. Tehát, ha az árnyékolt szektorok (3.4. ábra) területe azonos, akkor az si> s2> s3 utakat a bolygó egyenlő időközönként fogja bejárni. Az ábráról látható, hogy Sj > s2. Következésképpen a bolygó lineáris sebessége pályájának különböző pontjain nem azonos. A perihéliumban a bolygó sebessége a legnagyobb, az aphelionban a legkisebb.
Kepler harmadik törvénye
A bolygók Nap körüli keringési periódusainak négyzetei a pályájuk fél-főtengelyeinek kockáiként viszonyulnak egymáshoz. A pálya fél-főtengelyét és az egyik bolygó bx-n és Tv-n, a másik b2-n és T2-n keresztüli forgási periódusát jelölve Kepler harmadik törvénye a következőképpen írható fel:

Ebből a képletből látható, hogy minél távolabb van a bolygó a Naptól, annál hosszabb a keringési periódusa a Nap körül.
A Kepler-törvények alapján bizonyos következtetések vonhatók le a Nap által a bolygóknak adott gyorsulásokról. Az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy a pályák nem elliptikusak, hanem kör alakúak. A Naprendszer bolygói esetében ez a helyettesítés nem túl durva közelítés.
Ekkor a Nap felőli vonzási erő ebben a közelítésben minden bolygó esetében a Nap középpontja felé irányuljon.
Ha T-n keresztül a bolygók forgási periódusait, R-en pedig pályájuk sugarát jelöljük, akkor Kepler harmadik törvénye szerint két bolygóra írhatunk
t\L? T2 R2
Normál gyorsulás körben való mozgáskor a = co2R. Ezért a bolygók gyorsulásainak aránya
Q-i GlD.
7G=-2~- (3-2-5)
2t:r0
A (3.2.4) egyenlet segítségével azt kapjuk
T2
Mivel Kepler harmadik törvénye minden bolygóra érvényes, így minden bolygó gyorsulása fordítottan arányos a Naptól való távolságának négyzetével:
Ó, oh
a = -|. (3.2.6)
WT
A C2 állandó minden bolygóra azonos, de nem esik egybe a földgömb által a testeknek adott gyorsulás képletében szereplő C2 állandóval.
A (3.2.2) és (3.2.6) kifejezések azt mutatják, hogy a gravitációs erő mindkét esetben (a Földhöz és a Naphoz való vonzás) minden testnek olyan gyorsulást ad, amely nem függ a tömegétől, és fordítottan csökken a négyzetével. a távolság köztük:
F~a~-2. (3.2.7)
R
A gravitáció törvénye
A függőségek (3.2.1) és (3.2.7) létezése azt jelenti, hogy az egyetemes gravitációs erő 12
TP.L Sh
F~
R2? ТТТ-i ТПп
F=G
1667-ben Newton végül megfogalmazta az egyetemes gravitáció törvényét:
(3.2.8) R
Két test kölcsönös vonzási ereje egyenesen arányos e testek tömegének szorzatával, és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével. A G arányossági tényezőt gravitációs állandónak nevezzük.
Pont és kiterjesztett testek kölcsönhatása
Az egyetemes gravitáció törvénye (3.2.8) csak olyan testekre érvényes, amelyek méretei a köztük lévő távolsághoz képest elhanyagolhatóak. Más szóval, csak az anyagi pontokra érvényes. Ebben az esetben a gravitációs kölcsönhatás erői az ezeket a pontokat összekötő egyenes mentén irányulnak (3.5. ábra). Az ilyen erőket központinak nevezzük.
Egy másik testre ható gravitációs erő meghatározásához abban az esetben, ha a testek mérete nem elhanyagolható, a következőképpen járjunk el. Mindkét test mentálisan olyan apró elemekre oszlik, hogy mindegyiket pontnak tekinthetjük. Egy adott test egyes elemeire ható gravitációs erőket egy másik test összes eleméből összeadva megkapjuk az erre az elemre ható erőt (3.6. ábra). Miután egy adott test minden elemére elvégeztek egy ilyen műveletet, és összegezték a keletkező erőket, megtalálják a testre ható teljes gravitációs erőt. Ez a feladat nehéz.
Van azonban egy gyakorlatilag fontos eset, amikor a (3.2.8) képlet alkalmazható kiterjesztett testekre. Lehet bizonyítani
m^
Ábra. 3.5 ábra. 3.6
Megállapítható, hogy azokat a gömb alakú testeket, amelyek sűrűsége csak a középpontjuk távolságától függ, a köztük lévő sugarak összegénél nagyobb távolságra olyan erők vonzzák, amelyek moduljait a (3.2.8) képlet határozza meg. . Ebben az esetben R a golyók középpontjai közötti távolság.
És végül, mivel a Földre eső testek méretei sokkal kisebbek, mint a Föld méretei, ezeket a testeket pontszerű testeknek tekinthetjük. Ekkor a (3.2.8) képletben R alatt érteni kell az adott test és a Föld középpontja közötti távolságot.
Minden test között kölcsönös vonzási erők lépnek fel, amelyek maguktól a testektől (tömegüktől) és a köztük lévő távolságtól függenek.
? 1. A Mars és a Nap távolsága 52%-kal nagyobb, mint a Föld és a Nap távolsága. Mennyi egy év hossza a Marson? 2. Hogyan változik meg a golyók közötti vonóerő, ha az alumíniumgolyókat (3.7. ábra) azonos tömegű acélgolyókra cseréljük? ugyanaz a hangerő?

Abszolút minden anyagi test, mind a közvetlenül a Földön található, mind az Univerzumban létező, folyamatosan vonzódik egymáshoz. Az a tény, hogy ez a kölcsönhatás korántsem mindig látható vagy érezhető, csak azt mondja, hogy ez a vonzalom ezekben a konkrét esetekben viszonylag gyenge.

Az anyagi testek közötti kölcsönhatást, amely a fizikai alapfogalmak szerint folyamatos egymásra törekvésükben áll, gravitációsnak, magát a vonzás jelenségét gravitációnak nevezzük.

A gravitáció jelensége azért lehetséges, mert minden anyagi test körül (beleértve az embert is) gravitációs mező van. Ez a mező egy speciális anyagfajta, amelynek hatásától semmi nem védhető meg, és amelynek segítségével az egyik test a másikra hat, gyorsulást okozva ennek a mezőnek a forrásának középpontja felé. Ez szolgált alapul az egyetemes gravitációhoz, amelyet 1682-ben fogalmazott meg az angol természettudós és filozófus I..

Ennek a törvénynek az alapfogalma a gravitációs erő, amely, mint fentebb említettük, nem más, mint egy adott anyagi testre ható gravitációs tér hatásának eredménye. abban rejlik, hogy az erő, amellyel a testek kölcsönös vonzása mind a Földön, mind a világűrben fellép, közvetlenül függ e testek tömegének szorzatától, és fordítottan arányos az ezeket a tárgyakat elválasztó távolsággal.

Így a gravitációs erő, amelynek meghatározását maga Newton adta meg, csak két fő tényezőtől függ - a kölcsönhatásban lévő testek tömegétől és a köztük lévő távolságtól.

Annak megerősítésére, hogy ez a jelenség az anyag tömegétől függ, a Föld és az őt körülvevő testek kölcsönhatásának tanulmányozása erősítheti meg. Nem sokkal Newton után egy másik híres tudós - Galileo - meggyőzően kimutatta, hogy bolygónkon minden test pontosan ugyanolyan gyorsulást ad. Ez csak akkor lehetséges, ha a test a Földhöz viszonyítva közvetlenül függ ennek a testnek a tömegétől. Hiszen ebben az esetben a tömeg többszörös növekedésével a ható gravitációs erő pontosan ugyanannyiszor növekszik, miközben a gyorsulás változatlan marad.

Ha folytatjuk ezt a gondolatot, és figyelembe vesszük a „kék bolygó” felszínén lévő bármely két test kölcsönhatását, akkor arra a következtetésre juthatunk, hogy mindegyikre ugyanaz az erő hat „anyaföldünkről”. Ugyanakkor az ugyanazon Newton által megfogalmazott híres törvényre támaszkodva bátran kijelenthetjük, hogy ennek az erőnek a nagysága közvetlenül függ a test tömegétől, ezért a testek közötti gravitációs erő közvetlenül függ a szorzattól. tömegükből.

Annak bizonyítására, hogy ez a testek közötti rés méretétől függ, Newtonnak „szövetségesként” kellett bevonnia a Holdat. Régóta megállapították, hogy a testek Földre esésének gyorsulása körülbelül 9,8 m / s ^ 2, de a Hold bolygónkhoz viszonyítva egy kísérletsorozat eredményeként kiderült, hogy csak 0,0027 m / s ^ 2.

Így a gravitációs erő a legfontosabb fizikai mennyiség, amely megmagyarázza a bolygónkon és a környező világűrben lezajló számos folyamatot.

A gravitációs erő

Newton felfedezte a testek mozgásának törvényeit. E törvények szerint a gyorsulással járó mozgás csak erő hatására lehetséges. Mivel a zuhanó testek gyorsulással mozognak, lefelé, a Föld felé irányuló erőnek kell kitenni őket. Csak a Földnek van olyan tulajdonsága, hogy a felszíne közelében lévő testeket magához vonzza? 1667-ben Newton azt javasolta, hogy általában a kölcsönös vonzás erői hatnak minden test között. Ezeket az erőket az egyetemes gravitáció erőinek nevezte.

Miért nem vesszük észre a minket körülvevő testek közötti kölcsönös vonzerőt? Talán ennek az az oka, hogy túl kicsik a köztük lévő vonzási erők?

Newtonnak sikerült kimutatnia, hogy a testek közötti vonzóerő mindkét test tömegétől függ, és mint kiderült, csak akkor ér el észrevehető értéket, ha a kölcsönhatásban lévő testek (vagy legalább az egyik) kellően nagy tömegűek.

"LYUKATOK" TÉRBEN ÉS IDŐBEN

A fekete lyukak óriási gravitációs erők termékei. Akkor keletkeznek, amikor egy nagy tömegű anyag erős összenyomása során a növekvő gravitációs tere olyan erőssé válik, hogy nem is enged ki fényt, a fekete lyukból egyáltalán nem tud kijönni semmi. Csak hatalmas gravitációs erők hatására lehet beleesni, de nincs kiút. A modern tudomány feltárta az idő és a fizikai folyamatok kapcsolatát, amelyet az időlánc első láncszemeinek „megvizsgálására” hívtak a múltban, és követni annak tulajdonságait a távoli jövőben.

A vonzott testek tömegeinek szerepe

A szabadesés gyorsulását az a furcsaság különbözteti meg, hogy egy adott helyen minden testre, bármilyen tömegű testre ugyanaz. Hogyan magyarázható ez a furcsa tulajdonság?

Annak, hogy a gyorsulás nem függ a test tömegétől, egyetlen magyarázata az, hogy az F erő, amellyel a Föld vonzza a testet, arányos m tömegével.

Valójában ebben az esetben az m tömeg növekedése például kétszeresére az F erőmodulus kétszeres növekedéséhez vezet, míg a gyorsulás, amely megegyezik az F aránnyal. /m, változatlan marad. Newton erre az egyetlen helyes következtetésre jutott: az egyetemes gravitáció ereje arányos a test tömegével, amelyre hat.

De végül is a testek kölcsönösen vonzódnak, és a kölcsönhatási erők mindig azonos természetűek. Következésképpen az erő, amellyel a test vonzza a Földet, arányos a Föld tömegével. Newton harmadik törvénye szerint ezek az erők abszolút értékben egyenlőek. Ha tehát az egyik arányos a Föld tömegével, akkor a vele egyenlő másik erő is arányos a Föld tömegével. Ebből az következik, hogy a kölcsönös vonzás ereje arányos mindkét kölcsönhatásban lévő test tömegével. Ez pedig azt jelenti, hogy arányos mindkét test tömegének szorzatával.

MIÉRT NEM AZ ŰR GRAVITÁCIÓJA, MINT A FÖLDÉN?

Az univerzumban minden tárgy egy másik tárgyra hat, vonzzák egymást. A vonzási erő vagy a gravitáció két tényezőtől függ.

Először is, attól függ, hogy a tárgy, test, tárgy mennyi anyagot tartalmaz. Minél nagyobb a test anyagának tömege, annál erősebb a gravitáció. Ha egy testnek nagyon kicsi a tömege, akkor a gravitációja kicsi. Például a Föld tömege sokszorosa a Hold tömegének, tehát a Föld gravitációs ereje nagyobb, mint a Holdé.

Másodszor, a gravitációs erő a testek közötti távolságtól függ. Minél közelebb vannak egymáshoz a testek, annál nagyobb a vonzóerő. Minél távolabb vannak egymástól, annál kisebb a gravitáció.