În natură, există diverse forțe care caracterizează interacțiunea corpurilor. Luați în considerare acele forțe care apar în mecanică.

forte gravitationale. Probabil, prima forță, a cărei existență a fost realizată de o persoană, a fost forța de atracție care acționează asupra corpurilor din partea Pământului.

Și au fost nevoie de multe secole pentru ca oamenii să înțeleagă că forța gravitației acționează între orice corp. Și au fost nevoie de multe secole pentru ca oamenii să înțeleagă că forța gravitației acționează între orice corp. Fizicianul englez Newton a fost primul care a înțeles acest fapt. Analizând legile care guvernează mișcarea planetelor (legile lui Kepler), a ajuns la concluzia că legile observate ale mișcării planetare pot fi îndeplinite numai dacă între ele există o forță de atracție, direct proporțională cu masele lor și invers proporțională. la pătratul distanței dintre ele.

Newton a formulat Legea gravitației. Oricare două corpuri sunt atrase unul de celălalt. Forța de atracție dintre corpurile punctuale este direcționată de-a lungul liniei drepte care le leagă, este direct proporțională cu masele ambelor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele:

În acest caz, corpuri punctiforme sunt înțelese ca fiind corpuri ale căror dimensiuni sunt de multe ori mai mici decât distanța dintre ele.

Forțele gravitaționale se numesc forțe gravitaționale. Coeficientul de proporționalitate G se numește constantă gravitațională. Valoarea sa a fost determinată experimental: G = 6,7 10¯¹¹ N m²/kg².

gravitatie care acționează în apropierea suprafeței Pământului, este îndreptată spre centrul acestuia și se calculează prin formula:

unde g este accelerația de cădere liberă (g = 9,8 m/s²).

Rolul gravitației în natura vie este foarte semnificativ, deoarece dimensiunea, forma și proporțiile ființelor vii depind în mare măsură de amploarea acesteia.

Greutate corporala. Luați în considerare ce se întâmplă atunci când o sarcină este plasată pe un plan orizontal (suport). În primul moment după ce sarcina este coborâtă, aceasta începe să se miște în jos sub acțiunea gravitației (Fig. 8).

Planul se îndoaie și există o forță elastică (reacția suportului), îndreptată în sus. După ce forța elastică (Fy) echilibrează forța gravitațională, coborârea corpului și deformarea suportului se vor opri.

Deformarea suportului a luat naștere sub acțiunea corpului, prin urmare, asupra suportului din partea laterală a corpului acționează o anumită forță (P), care se numește greutatea corpului (Fig. 8, b). Conform celei de-a treia legi a lui Newton, greutatea unui corp este egală ca mărime cu forța de reacție a suportului și este îndreptată în direcția opusă.

P \u003d - Fu \u003d F grea.

greutate corporala numită forța P, cu care corpul acționează pe un suport orizontal care este staționar față de acesta.

Deoarece gravitația (greutatea) este aplicată pe suport, acesta se deformează și, datorită elasticității, contracarează forța gravitației. Forțele dezvoltate în acest caz din partea suportului se numesc forțe de reacție a suportului, iar însuși fenomenul dezvoltării contraacțiunii se numește reacția suportului. Conform celei de-a treia legi a lui Newton, forța de reacție a suportului este egală ca mărime cu forța de gravitație a corpului și opusă acesteia în direcție.

Dacă o persoană pe un suport se deplasează cu accelerația legăturilor corpului său îndreptate departe de suport, atunci forța de reacție a suportului crește cu valoarea ma, unde m este masa persoanei și sunt accelerațiile cu care legăturile corpului lui se mişcă. Aceste efecte dinamice pot fi înregistrate cu ajutorul dispozitivelor de extensometru (dinamograme).

Greutatea nu trebuie confundată cu masa corporală. Masa unui corp își caracterizează proprietățile inerțiale și nu depinde nici de forța gravitațională, nici de accelerația cu care se mișcă.

Greutatea corpului caracterizează forța cu care acționează asupra suportului și depinde atât de forța gravitațională, cât și de accelerația mișcării.

De exemplu, pe Lună, greutatea unui corp este de aproximativ 6 ori mai mică decât greutatea unui corp de pe Pământ.Masa este aceeași în ambele cazuri și este determinată de cantitatea de materie din corp.

În viața de zi cu zi, tehnologie, sport, greutatea este adesea indicată nu în newtoni (N), ci în kilograme de forță (kgf). Trecerea de la o unitate la alta se realizează după formula: 1 kgf = 9,8 N.

Când suportul și corpul sunt nemișcate, atunci masa corpului este egală cu forța de gravitație a acestui corp. Când suportul și corpul se mișcă cu o oarecare accelerație, atunci, în funcție de direcția sa, corpul poate experimenta fie imponderabilitate, fie suprasolicitare. Când accelerația coincide în direcție și este egală cu accelerația căderii libere, greutatea corpului va fi zero, deci apare o stare de imponderabilitate (ISS, lift de mare viteză la coborâre). Când accelerația mișcării suportului este opusă accelerației căderii libere, persoana experimentează o suprasarcină (pornire de la suprafața Pământului a unei nave spațiale cu echipaj, un lift de mare viteză care urcă).

Nu numai cele mai misterioase forțele naturii dar și cel mai puternic.

Omul pe cale de progres

Din punct de vedere istoric, așa a fost Uman pe măsură ce înaintezi căi de progres a stăpânit forțele din ce în ce mai puternice ale naturii. A început când nu avea decât un băț în pumn și propria sa forță fizică.

Dar el a fost înțelept și a adus puterea fizică a animalelor în slujba lui, făcându-le domestice. Calul și-a accelerat alergarea, cămila a făcut deșertul accesibil, elefantul a făcut jungla mlăștinoasă. Dar forțele fizice chiar și ale celor mai puternice animale sunt nemăsurat de mici în comparație cu forțele naturii.

Prima persoană a subjugat elementul foc, dar numai în versiunile sale cele mai slăbite. Inițial - timp de multe secole - a folosit doar lemnul drept combustibil - un tip de combustibil cu foarte puțină energie. Ceva mai târziu, a învățat să folosească energia eoliană din această sursă de energie, un bărbat a ridicat aripa albă a pânzei în aer - și o navă ușoară a zburat ca o pasăre peste valuri.

Barcă cu pânze pe valuri

El a expus lamele morii de vânt rafale de vânt – iar pietrele grele ale pietrelor de moară se învârteau, pistilele crupelor zdrăngăneau. Dar este clar pentru toată lumea că energia jeturilor de aer este departe de a fi concentrată. În plus, atât vela, cât și moara de vânt se temeau de loviturile vântului: furtuna a sfâșiat pânzele și a scufundat corăbiile, furtuna a rupt aripile și a răsturnat morile.

Chiar mai târziu, omul a început să cucerească apa curgătoare. Roata nu este doar cea mai primitivă dintre dispozitive capabile să transforme energia apei în mișcare de rotație, ci și cea mai slabă putere în comparație cu diversele.

Omul mergea înainte pe scara progresului și avea nevoie din ce în ce mai multă energie.
A început să folosească noi tipuri de combustibil - deja trecerea la arderea cărbunelui a crescut intensitatea energetică a unui kilogram de combustibil de la 2500 kcal la 7000 kcal - de aproape trei ori. Apoi a venit vremea petrolului și gazelor. Din nou, conținutul energetic al fiecărui kilogram de combustibil fosil a crescut de o dată și jumătate până la două ori.

Motoarele cu abur au fost înlocuite cu turbine cu abur; roțile morii au fost înlocuite cu turbine hidraulice. Apoi omul și-a întins mâna spre atomul de uraniu fisionabil. Cu toate acestea, prima utilizare a unui nou tip de energie a avut consecințe tragice - flacăra nucleară de la Hiroshima din 1945 a incinerat 70 de mii de inimi umane în câteva minute.

În 1954, prima centrală nucleară sovietică din lume a intrat în funcțiune, transformând puterea uraniului în puterea radiantă a curentului electric. Și trebuie menționat că un kilogram de uraniu conține de două milioane de ori mai multă energie decât un kilogram din cel mai bun ulei.

A fost un foc fundamental nou, care ar putea fi numit fizic, deoarece fizicienii au studiat procesele care au condus la nașterea unor cantități atât de fabuloase de energie.
Uraniul nu este singurul combustibil nuclear. Se folosește deja un tip de combustibil mai puternic - izotopi de hidrogen.

Din păcate, omul nu a reușit încă să stăpânească flacăra nucleară de hidrogen-heliu. Știe cum să-și aprindă momentan focul atot-arzător, dând foc reacției dintr-o bombă cu hidrogen cu fulgerul unei explozii de uraniu. Dar din ce în ce mai aproape, oamenii de știință văd un reactor cu hidrogen, care va genera un curent electric ca urmare a fuziunii nucleelor ​​izotopilor de hidrogen în nuclee de heliu.

Din nou, cantitatea de energie pe care o poate lua o persoană din fiecare kilogram de combustibil va crește de aproape zece ori. Dar va fi acest pas ultimul din istoria viitoare a puterii umane asupra forțelor naturii?

Nu! Înainte - stăpânirea formei gravitaționale a energiei. Este și mai prudent ambalat de natură decât chiar și energia fuziunii hidrogen-heliu. Astăzi este cea mai concentrată formă de energie despre care o persoană poate chiar ghici.

Nimic mai departe nu este încă vizibil acolo, dincolo de vârful științei. Și, deși putem spune cu încredere că centralele electrice vor funcționa pentru o persoană, procesând energia gravitațională în curent electric (sau poate într-un jet de gaz care zboară dintr-o duză de motor cu reacție, sau în transformarea planificată a atomilor omniprezent de siliciu și oxigen. în atomi de metale ultra-rare), încă nu putem spune nimic despre detaliile unei astfel de centrale electrice (motor-rachetă, reactor fizic).

Forța gravitației universale la originile nașterii galaxiilor

Forța gravitației universale se află la originile nașterii galaxiilor din materie prestelară, după cum este convins academicianul V.A. Ambartsumyan. De asemenea, stinge stelele care și-au consumat timpul, după ce au cheltuit combustibilul stelar care le-a fost alocat la naștere.

Da, uită-te în jur: totul de pe Pământ este în mare măsură controlat de această forță.

Ea este cea care determină structura stratificată a planetei noastre - alternanța litosferei, hidrosferei și atmosferei. Ea este cea care păstrează un strat gros de gaze ale aerului, în baza căruia și datorită căruia existăm cu toții.

Dacă nu ar exista gravitația, Pământul și-ar ieși imediat din orbita în jurul Soarelui, iar globul însuși s-ar prăbuși, sfâșiat de forțele centrifuge. Este greu să găsești ceva care să nu fie, într-o măsură sau alta, dependent de forța gravitației universale.

Desigur, filosofii antici, oameni foarte observatori, nu puteau să nu observe că o piatră aruncată în sus se întoarce mereu. Platon în secolul al IV-lea î.Hr. a explicat acest lucru prin faptul că toate substanțele Universului tind acolo unde sunt concentrate majoritatea substanțelor similare: o piatră aruncată cade la pământ sau se duce la fund, apa vărsată se infiltrează în cel mai apropiat iaz sau într-un râu care se îndreaptă spre mare, fumul unui foc se repezi spre norii înrudiți.

Un student al lui Platon, Aristotel, a clarificat că toate corpurile au proprietăți speciale de greutate și ușurință. Corpurile grele - pietre, metale - se repezi spre centrul universului, lumina - foc, fum, vapori - spre periferie. Această ipoteză, care explică unele dintre fenomenele asociate cu forța gravitației universale, există de mai bine de 2 mii de ani.

Oamenii de știință despre forța gravitației

Probabil primul care a pus problema forta gravitatiei cu adevărat științific, a fost geniul Renașterii - Leonardo da Vinci. Leonardo a proclamat că gravitația este caracteristică nu numai Pământului, ci că există multe centre de greutate. Și a mai sugerat că forța gravitațională depinde de distanța până la centrul de greutate.

Lucrările lui Copernic, Galileo, Kepler, Robert Hooke au adus din ce în ce mai aproape de ideea legii gravitației universale, dar în formularea sa finală această lege este asociată pentru totdeauna cu numele lui Isaac Newton.

Isaac Newton despre forța gravitației

Născut la 4 ianuarie 1643. A absolvit Universitatea din Cambridge, a devenit licență, apoi - un master în științe.

Isaac Newton

Tot ceea ce urmează este o bogăție nesfârșită de lucrări științifice. Dar lucrarea sa principală este „Principiile matematice ale filosofiei naturale”, publicată în 1687 și numită de obicei simplu „Începuturi”. În ele este formulat marele. Probabil că toată lumea își amintește de el din liceu.

Toate corpurile sunt atrase unele de altele cu o forță direct proporțională cu produsul maselor acestor corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele...

Unele prevederi ale acestei formulări ar putea fi anticipate de predecesorii lui Newton, dar nu a fost încă dată nimănui în întregime. Geniul lui Newton a fost necesar pentru a asambla aceste fragmente într-un singur întreg pentru a răspândi atracția Pământului către Lună și Soare - către întregul sistem planetar.

Din legea gravitației universale, Newton a derivat toate legile mișcării planetelor, descoperite înainte de Kepler. Au fost pur și simplu consecințele ei. Mai mult, Newton a arătat că nu numai legile lui Kepler, ci și abaterile de la aceste legi (în lumea a trei sau mai multe corpuri) sunt rezultatul gravitației universale... Acesta a fost un mare triumf al științei.

Se pare că principala forță a naturii, care mișcă lumile, a fost în cele din urmă descoperită și descrisă matematic, forța la care sunt supuse moleculele de aer, merele și Soarele. Uriaș, nemăsurat de uriaș a fost pasul făcut de Newton.

Primul popularizator al operei unui om de știință strălucit, scriitorul francez Francois Marie Arouet, celebru în întreaga lume sub pseudonimul Voltaire, a spus că Newton a ghicit dintr-o dată existența unei legi care îi poartă numele atunci când a privit un măr care cădea.

Newton însuși nu a menționat niciodată acest măr. Și nu merită să pierdem timpul astăzi cu infirmarea acestei frumoase legende. Și, se pare, Newton a ajuns să înțeleagă marea putere a naturii prin raționament logic. Este probabil să fi fost inclus în capitolul corespunzător al „Începuturilor”.

Forța gravitației afectează zborul nucleului

Să presupunem că pe un munte foarte înalt, atât de înalt încât vârful său este deja în afara atmosferei, am amenajat o piesă gigantică de artilerie. Butoiul său a fost așezat strict paralel cu suprafața globului și s-a tras. Descrierea arcului miezul cade la pământ.

Creștem încărcarea, îmbunătățim calitatea prafului de pușcă, într-un fel sau altul facem miezul să se miște cu o viteză mai mare după următoarea lovitură. Arcul descris de miez devine mai plat. Miezul cade mult mai departe de poalele muntelui nostru.

De asemenea, creștem încărcarea și tragem. Nucleul zboară pe o traiectorie atât de blândă încât coboară paralel cu suprafața globului. Miezul nu mai poate cădea pe Pământ: cu aceeași viteză cu care cade, Pământul scapă de sub el. Și, după ce a descris inelul din jurul planetei noastre, nucleul se întoarce la punctul de plecare.

Pistolul poate fi scos între timp. La urma urmei, zborul nucleului în jurul globului va dura mai mult de o oră. Și apoi nucleul va trece rapid peste vârful muntelui și va merge într-un nou cerc în jurul Pământului. Căderea, dacă, așa cum am convenit, miezul nu experimentează nicio rezistență a aerului, nu va putea niciodată.

Viteza centrală pentru aceasta ar trebui să fie aproape de 8 km/sec. Și dacă creșteți viteza de zbor a miezului? Mai întâi va zbura într-un arc, mai blând decât curbura suprafeței pământului și va începe să se îndepărteze de Pământ. În același timp, viteza sa sub influența gravitației Pământului va scădea.

Și, în cele din urmă, întorcându-se, va începe, parcă, să cadă înapoi pe Pământ, dar va zbura pe lângă el și nu va mai completa un cerc, ci o elipsă. Miezul se va mișca în jurul Pământului exact în același mod în care Pământul se mișcă în jurul Soarelui, și anume, de-a lungul unei elipse, într-unul dintre focarele căruia va fi situat centrul planetei noastre.

Dacă creștem și mai mult viteza inițială a nucleului, elipsa se va dovedi a fi mai întinsă. Este posibil să întindeți această elipsă în așa fel încât nucleul să ajungă pe orbita lunii sau chiar mult mai departe. Dar până când viteza inițială a acestui nucleu va depăși 11,2 km/s, va rămâne un satelit al Pământului.

Nucleul, care a primit o viteză de peste 11,2 km/s la foc, va zbura pentru totdeauna departe de Pământ de-a lungul unei traiectorii parabolice. Dacă o elipsă este o curbă închisă, atunci o parabolă este o curbă care are două ramuri care merg la infinit. Deplasându-ne de-a lungul unei elipse, oricât de alungită ar fi aceasta, ne vom întoarce inevitabil sistematic la punctul de plecare. Deplasându-ne de-a lungul unei parabole, nu ne vom întoarce niciodată la punctul de plecare.

Dar, după ce a părăsit Pământul cu această viteză, nucleul nu va putea încă să zboare la infinit. Gravitația puternică a Soarelui va îndoi traiectoria zborului său, aproape în jurul său ca traiectoria unei planete. Miezul va deveni sora Pământului, o planetă minusculă din propria noastră familie de planete.

Pentru a direcționa nucleul în afara sistemului planetar, pentru a depăși atracția solară, este necesar să îi spunem o viteză mai mare de 16,7 km/s și să-l direcționați astfel încât la această viteză să se adauge viteza propriei mișcări a Pământului. .

O viteză de aproximativ 8 km/s (aceasta viteză depinde de înălțimea muntelui din care trage pistolul nostru) se numește viteză circulară, vitezele de la 8 la 11,2 km/s sunt eliptice, de la 11,2 la 16,7 km/s sunt parabolice, iar peste acest număr – viteze eliberatoare.

Aici trebuie adăugat că valorile date ale acestor viteze sunt valabile numai pentru Pământ. Dacă am trăi pe Marte, viteza circulară ne-ar fi mult mai ușor de realizat - acolo este doar aproximativ 3,6 km/s, iar viteza parabolică este doar puțin mai mare de 5 km/s.

Pe de altă parte, ar fi mult mai dificil să trimiți nucleul într-un zbor spațial de la Jupiter decât de pe Pământ: viteza circulară pe această planetă este de 42,2 km/s, iar viteza parabolică este chiar de 61,8 km/s!

Cel mai greu ar fi pentru locuitorii Soarelui să-și părăsească lumea (dacă, desigur, așa ar putea exista). Viteza circulară a acestui gigant ar trebui să fie de 437,6, iar viteza de separare - 618,8 km/s!

Așadar, Newton la sfârșitul secolului al XVII-lea, cu o sută de ani înainte de primul zbor al balonului cu aer cald umplut cu aer cald de către frații Montgolfier, cu două sute de ani înainte de primele zboruri ale avionului fraților Wright și aproape un sfert din cu un mileniu înainte de decolarea primelor rachete lichide, a arătat calea spre cer pentru sateliți și nave spațiale.

Forța gravitației este inerentă în fiecare sferă

Prin intermediul Legea gravitației au fost descoperite planete necunoscute, au fost create ipoteze cosmogonice despre originea sistemului solar. Forța principală a naturii, care controlează stelele, planetele, merele din grădină și moleculele de gaz din atmosferă, a fost descoperită și descrisă matematic.

Dar nu cunoaștem mecanismul gravitației universale. Gravitația newtoniană nu explică, ci reprezintă vizual starea actuală a mișcării planetare.

Nu știm ce cauzează interacțiunea tuturor corpurilor Universului. Și nu se poate spune că Newton nu a fost interesat de acest motiv. Mulți ani s-a gândit la posibilul său mecanism.

Apropo, aceasta este într-adevăr o putere extrem de misterioasă. O forță care se manifestă prin sute de milioane de kilometri de spațiu, lipsită de orice formațiuni materiale la prima vedere, cu ajutorul căreia s-ar putea explica transferul de interacțiune.

Ipotezele lui Newton

Și newton recurs la ipoteză despre existența unui anumit eter care se presupune că umple întregul Univers. În 1675, el a explicat atracția pentru Pământ prin faptul că eterul care umple întregul Univers se grăbește spre centrul Pământului în fluxuri continue, captând toate obiectele din această mișcare și creând o forță gravitațională. Același flux de eter se îndreaptă spre Soare și, târând planetele, cometele, le asigură traiectoriile eliptice...

Nu a fost o ipoteză foarte convingătoare, deși absolut logică din punct de vedere matematic. Dar acum, în 1679, Newton a creat o nouă ipoteză care explică mecanismul gravitației. De data aceasta el înzestrează eterul cu proprietatea de a avea o concentrație diferită în apropierea planetelor și departe de acestea. Cu cât este mai departe de centrul planetei, cu atât eterul se presupune că este mai dens. Și are proprietatea de a stoarce toate corpurile materiale din straturile lor mai dense în altele mai puțin dense. Și toate corpurile sunt strânse la suprafața Pământului.

În 1706, Newton neagă brusc însăși existența eterului. În 1717 revine din nou la ipoteza stoarcerii eterului.

Ingeniosul creier al lui Newton s-a luptat pentru rezolvarea marelui mister și nu l-a găsit. Aceasta explică aruncarea atât de ascuțită dintr-o parte în alta. Newton spunea:

Nu fac ipoteze.

Și deși, așa cum am putut doar să verificăm, acest lucru nu este în întregime adevărat, putem afirma cu siguranță altceva: Newton a fost capabil să distingă clar între lucrurile incontestabile de ipotezele instabile și controversate. Și în Elemente există o formulă a marii legi, dar nu există nicio încercare de a explica mecanismul acesteia.
Marele fizician a lăsat moștenire această ghicitoare omului viitorului. A murit în 1727.
Nu s-a rezolvat nici azi.

Discuția despre esența fizică a legii lui Newton a durat două secole. Și poate că această discuție nu ar viza însăși esența legii, dacă ar răspunde exact la toate întrebările care i-au fost puse.

Dar adevărul este că de-a lungul timpului s-a dovedit că această lege nu este universală. Că sunt cazuri când nu poate explica acest sau altul fenomen. Să dăm exemple.

Forța gravitației în calculele lui Seeliger

Primul dintre acestea este paradoxul lui Seeliger. Considerând că Universul este infinit și umplut uniform cu materie, Seeliger a încercat să calculeze, conform legii lui Newton, forța gravitațională universală creată de întreaga masă infinit de mare a Universului infinit la un moment dat în ea.

Nu a fost o sarcină ușoară din punctul de vedere al matematicii pure. Depășind toate dificultățile celor mai complexe transformări, Seeliger a descoperit că forța de gravitație universală dorită este proporțională cu raza Universului. Și deoarece această rază este egală cu infinitul, atunci forța gravitațională trebuie să fie infinit de mare. Cu toate acestea, nu vedem acest lucru în practică. Aceasta înseamnă că legea gravitației universale nu se aplică întregului univers.

Cu toate acestea, sunt posibile și alte explicații pentru paradox. De exemplu, putem presupune că materia nu umple uniform întregul Univers, dar densitatea ei scade treptat și, în cele din urmă, undeva foarte departe nu există deloc materie. Dar a-ți imagina o astfel de imagine înseamnă a admite posibilitatea existenței spațiului fără materie, ceea ce este în general absurd.

Putem presupune că forța gravitației slăbește mai repede decât crește pătratul distanței. Dar acest lucru pune la îndoială armonia surprinzătoare a legii lui Newton. Nu, iar această explicație nu a satisfăcut oamenii de știință. Paradoxul a rămas un paradox.

Observații ale mișcării lui Mercur

Un alt fapt, acțiunea forței de gravitație universală, neexplicată prin legea lui Newton, a adus observarea mișcării lui Mercur- cel mai apropiat de planetă. Calcule precise conform legii lui Newton au arătat că pereheliul - punctul elipsei de-a lungul căruia Mercur se mișcă cel mai aproape de Soare - ar trebui să se miște cu 531 de secunde de arc în 100 de ani.

Iar astronomii au descoperit că această schimbare este egală cu 573 de secunde de arc. Acest exces - 42 de secunde de arc - nu a putut fi explicat nici de oamenii de știință, folosind doar formule care decurg din legea lui Newton.

El a explicat atât paradoxul lui Seeliger, cât și deplasarea perheliei lui Mercur, precum și multe alte fenomene paradoxale și fapte inexplicabile. Albert Einstein, unul dintre cei mai mari, dacă nu cel mai mare fizician din toate timpurile. Printre micile lucruri enervante a fost întrebarea vânt eteric.

Experimente de Albert Michelson

Se părea că această întrebare nu privea direct problema gravitației. S-a legat de optică, de lumină. Mai exact, la definirea vitezei sale.

Astronomul danez a fost primul care a determinat viteza luminii. Olaf Remer urmărind eclipsa lunilor lui Jupiter. Acest lucru s-a întâmplat încă din 1675.

fizician american Albert Michelson la sfârșitul secolului al XVIII-lea, a efectuat o serie de determinări ale vitezei luminii în condiții terestre, folosind aparatele pe care le proiectase.

În 1927, el a dat viteza luminii ca 299796 + 4 km/s, ceea ce era o precizie excelentă pentru acele vremuri. Dar esența problemei este diferită. În 1880 a decis să investigheze vântul eteric. El a vrut să stabilească în sfârșit existența acelui eter, prin prezența căruia au încercat să explice atât transmiterea interacțiunii gravitaționale, cât și transmiterea undelor luminoase.

Michelson a fost probabil cel mai remarcabil experimentator al timpului său. Avea echipament excelent. Și era aproape sigur de succes.

Esența experienței

Experienţă a fost conceput astfel. Pământul se mișcă pe orbita sa cu o viteză de aproximativ 30 km/sec.. Se mișcă prin aer. Aceasta înseamnă că viteza luminii de la o sursă care se află în fața receptorului în raport cu mișcarea Pământului trebuie să fie mai mare decât de la o sursă care se află de cealaltă parte. În primul caz, viteza vântului eteric trebuie adăugată la viteza luminii; în al doilea caz, viteza luminii trebuie să scadă cu această valoare.

Desigur, viteza Pământului pe orbita sa în jurul Soarelui este doar o zece miimi din viteza luminii. Găsirea unui termen atât de mic este foarte dificilă, dar Michelson a fost numit regele preciziei pentru un motiv. A folosit o modalitate ingenioasă de a surprinde diferența „evazivă” a vitezei razelor de lumină.

El a împărțit fasciculul în două fluxuri egale și le-a direcționat în direcții reciproc perpendiculare: de-a lungul meridianului și de-a lungul paralelei. Reflectate de oglinzi, razele au revenit. Dacă fasciculul care mergea de-a lungul paralelei a experimentat influența vântului eteric, atunci când a fost adăugat fasciculului meridional ar fi trebuit să apară franjuri de interferență, undele celor două fascicule ar fi fost deplasate în fază.

Cu toate acestea, lui Michelson i-a fost dificil să măsoare traseele ambelor raze cu o precizie atât de mare încât să fie exact aceleași. Prin urmare, a construit aparatul astfel încât să nu existe franjuri de interferență și apoi l-a întors la 90 de grade.

Fasciculul meridional a devenit latitudinal și invers. Dacă există un vânt eteric, sub ocular ar trebui să apară dungi negre și ușoare! Dar nu au fost. Poate că, când a întors dispozitivul, omul de știință l-a mutat.

L-a pus la prânz și l-a reparat. La urma urmei, pe lângă faptul că, se rotește și în jurul axei sale. Și, prin urmare, în diferite momente ale zilei, fasciculul latitudinal ocupă o poziție diferită față de vântul eteric care se apropie. Acum, când aparatul este strict nemișcat, se poate fi convins de acuratețea experimentului.

Nu au existat din nou franjuri de interferență. Experimentul a fost efectuat de multe ori, iar Michelson, împreună cu el toți fizicienii de atunci, au rămas uimiți. Vântul eteric nu a fost detectat! Lumina a călătorit în toate direcțiile cu aceeași viteză!

Nimeni nu a putut explica asta. Michelson a repetat experimentul din nou și din nou, a îmbunătățit echipamentul și, în cele din urmă, a obținut o precizie de măsurare aproape incredibilă, un ordin de mărime mai mare decât era necesar pentru succesul experimentului. Și iarăși nimic!

Experimentele lui Albert Einstein

Următorul mare pas în cunoaşterea forţei gravitaţiei făcut Albert Einstein.
Albert Einstein a fost întrebat odată:

Cum ai ajuns la teoria ta specială a relativității? În ce circumstanțe ți-a venit o idee genială? Omul de știință a răspuns: „Întotdeauna mi s-a părut că așa este.

Poate că nu a vrut să fie sincer, poate a vrut să scape de interlocutorul enervant. Dar este greu de imaginat că ideea lui Einstein despre conexiunile dintre timp, spațiu și viteză a fost înnăscută.

Nu, desigur, la început a fost o bănuială, strălucitoare ca fulgerul. Apoi a început dezvoltarea. Nu, nu există contradicții cu fenomenele cunoscute. Și apoi au apărut acele cinci pagini pline de formule, care au fost publicate într-un jurnal fizic. Pagini care au deschis o nouă eră în fizică.

Imaginați-vă o navă spațială zburând prin spațiu. Vă vom avertiza imediat: nava este foarte ciudată, despre care nu ați citit în poveștile științifico-fantastice. Lungimea sa este de 300 de mii de kilometri, iar viteza sa este, ei bine, să zicem, de 240 de mii de km/s. Și această navă spațială zboară pe lângă una dintre platformele intermediare din spațiu, fără să se oprească la ea. La viteză maximă.

Unul dintre pasageri stă pe puntea navei cu un ceas. Și tu și cu mine, cititorule, stăm pe o platformă - lungimea sa trebuie să corespundă mărimii unei nave stelare, adică 300 de mii de kilometri, altfel nu se va putea lipi de ea. Și avem și un ceas în mână.

Observăm că în momentul în care prova navei a ajuns din urmă cu marginea din spate a platformei noastre, un felinar a fulgerat pe ea, luminând spațiul care o înconjura. O secundă mai târziu, un fascicul de lumină a ajuns la marginea din față a platformei noastre. Nu ne îndoim de acest lucru, pentru că știm viteza luminii și am reușit să identificăm exact momentul corespunzător pe ceas. Și pe o navă...

Dar nava a zburat și spre fasciculul de lumină. Și am văzut cu siguranță că lumina și-a luminat pupa în momentul în care era undeva aproape de mijlocul platformei. Am văzut cu siguranță că fasciculul de lumină nu a acoperit 300 de mii de kilometri de la prova până la pupa navei.

Dar pasagerii de pe puntea navei sunt siguri de altceva. Ei sunt siguri că fasciculul lor a acoperit întreaga distanță de la prova la pupa de 300 de mii de kilometri. La urma urmei, a petrecut o secundă întreagă pentru asta. Și ei l-au înregistrat absolut exact pe ceasurile lor. Și cum ar putea fi altfel: la urma urmei, viteza luminii nu depinde de viteza sursei...

Cum așa? Vedem un lucru de pe o platformă fixă ​​și altul la ei pe puntea unei nave spațiale? Ce s-a întâmplat?

Teoria relativității a lui Einstein

Trebuie remarcat imediat: Teoria relativității a lui Einstein la prima vedere, contrazice absolut ideea noastră stabilită despre structura lumii. Putem spune că contrazice și bunul simț, așa cum suntem obișnuiți să-l prezentăm. Acest lucru s-a întâmplat de multe ori în istoria științei.

Dar descoperirea sfericității Pământului a fost contrară bunului simț. Cum pot oamenii să trăiască de partea opusă și să nu cadă în abis?

Pentru noi, sfericitatea Pământului este un fapt neîndoielnic, iar din punctul de vedere al bunului simț, orice altă presupunere este lipsită de sens și sălbatică. Dar dați-vă înapoi de la vremea voastră, imaginați-vă prima apariție a acestei idei și veți înțelege cât de greu ar fi să o acceptați.

Ei bine, a fost mai ușor să admitem că Pământul nu este nemișcat, ci zboară de-a lungul traiectoriei sale de zeci de ori mai repede decât o ghiulea de tun?

Toate acestea au fost epave de bun simț. Prin urmare, fizicienii moderni nu se referă niciodată la el.

Acum revenim la teoria specială a relativității. Lumea a recunoscut-o pentru prima dată în 1905 dintr-un articol semnat de un nume puțin cunoscut - Albert Einstein. Și avea doar 26 de ani la acea vreme.

Einstein a făcut o presupunere foarte simplă și logică din acest paradox: din punctul de vedere al unui observator de pe platformă, într-o mașină în mișcare a trecut mai puțin timp decât măsura ceasul de mână. În mașină, trecerea timpului a încetinit față de timpul pe platforma staționară.

Lucruri destul de uimitoare au rezultat logic din această presupunere. S-a dovedit că o persoană care călătorește la serviciu într-un tramvai, în comparație cu un pieton care merge în același mod, nu numai că economisește timp din cauza vitezei, dar merge și mai încet pentru el.

Totuși, nu încerca să păstrezi tinerețea veșnică în acest fel: chiar dacă devii șofer de trăsuri și petreci o treime din viață într-un tramvai, în 30 de ani vei câștiga cu greu mai mult de o milioneme de secundă. Pentru ca câștigul în timp să devină vizibil, este necesar să se deplaseze cu o viteză apropiată de viteza luminii.

Se pare că creșterea vitezei corpurilor se reflectă în masa lor. Cu cât viteza unui corp este mai aproape de viteza luminii, cu atât masa acestuia este mai mare. La viteza unui corp egală cu viteza luminii, masa lui este egală cu infinitul, adică este mai mare decât masa Pământului, a Soarelui, a Galaxiei, a întregului nostru Univers... Aceasta este câtă masă poate fi concentrat într-un simplu pavaj, accelerând-o la viteză
Sveta!

Aceasta impune o limitare care nu permite niciunui corp material să dezvolte o viteză egală cu viteza luminii. La urma urmei, pe măsură ce masa crește, devine din ce în ce mai dificil să o dispersi. Și o masă infinită nu poate fi mișcată de nicio forță.

Cu toate acestea, natura a făcut o excepție foarte importantă de la această lege pentru o întreagă clasă de particule. De exemplu, pentru fotoni. Se pot mișca cu viteza luminii. Mai precis, ei nu se pot mișca cu nicio altă viteză. Este de neconceput să ne imaginăm un foton nemișcat.

Când staționează, nu are masă. De asemenea, neutrinii nu au o masă de repaus și sunt, de asemenea, condamnați la un etern zbor neîngrădit prin spațiu la viteza maximă posibilă în Universul nostru, fără să depășească lumina și să țină pasul cu ea.

Nu este adevărat că fiecare dintre consecințele teoriei speciale a relativității enumerate de noi este surprinzătoare, paradoxală! Și fiecare, desigur, este contrar „bunului simț”!

Dar iată ce este interesant: nu în forma sa concretă, ci ca poziție filozofică largă, toate aceste consecințe uimitoare au fost prezise de fondatorii materialismului dialectic. Ce spun aceste implicații? Despre conexiunile care interconectează energia și masa, masa și viteza, viteza și timpul, viteza și lungimea unui obiect în mișcare...

Descoperirea lui Einstein a interdependenței, ca cimentul (mai mult:), care conectează între ele armătura sau pietrele de fundație, a conectat lucruri și fenomene care anterior păruseră independente unele de altele și a creat fundația pe care pentru prima dată în istoria științei s-a aflat. posibilă construirea unei clădiri armonioase. Această clădire este o reprezentare a modului în care funcționează universul nostru.

Dar mai întâi, măcar câteva cuvinte despre teoria generală a relativității, creată tot de Albert Einstein.

Albert Einstein

Această denumire - teoria generală a relativității - nu corespunde în totalitate cu conținutul teoriei, care va fi discutată. Stabilește interdependența dintre spațiu și materie. Se pare că ar fi mai corect să-l numești teoria spațiu-timp, sau teoria gravitației.

Dar acest nume a crescut atât de aproape de teoria lui Einstein încât chiar și ridicarea problemei înlocuirii lui pare indecentă pentru mulți oameni de știință.

Teoria generală a relativității a stabilit interdependența dintre materie și timpul și spațiul care o conțin. S-a dovedit că spațiul și timpul nu numai că nu pot fi imaginate ca existând separat de materie, dar proprietățile lor depind și de materia care le umple.

Punctul de pornire al discuției

Prin urmare, se poate doar preciza punct de plecare al discuţieiși trageți câteva concluzii importante.

La începutul călătoriei în spațiu, o catastrofă neașteptată a distrus biblioteca, fondul de film și alte depozite ale minții, memoria oamenilor care zboară prin spațiu. Iar natura planetei natale este uitată în schimbarea secolelor. Chiar și legea gravitației universale este uitată, deoarece racheta zboară în spațiul intergalactic, unde aproape că nu se simte.

Cu toate acestea, motoarele navei funcționează superb, aprovizionarea cu energie în baterii este practic nelimitată. De cele mai multe ori, nava se mișcă prin inerție, iar locuitorii ei sunt obișnuiți cu imponderabilitate. Dar uneori pornesc motoarele și încetinesc sau accelerează mișcarea navei. Când duzele cu jet ard în gol cu ​​o flacără incoloră și nava se mișcă într-un ritm accelerat, locuitorii simt că corpurile lor devin grele, sunt forțați să meargă în jurul navei și să nu zboare prin coridoare.

Și acum zborul este aproape de finalizare. Nava zboară până la una dintre stele și cade pe orbitele celei mai potrivite planete. Navele se sting, mergând pe pământ verde proaspăt, trăind în permanență aceeași senzație de greutate, cunoscută de pe vremea când nava se mișca într-un ritm accelerat.

Dar planeta se mișcă uniform. Nu poate zbura spre ei cu o accelerație constantă de 9,8 m/s2! Și au prima presupunere că câmpul gravitațional (forța gravitațională) și accelerația dau același efect și, probabil, au o natură comună.

Niciunul dintre contemporanii noștri pământeni nu a fost într-un zbor atât de lung, dar mulți oameni au simțit fenomenul de „încărcare” și „luminare” a corpului lor. Deja un lift obișnuit, când se mișcă într-un ritm accelerat, creează acest sentiment. La coborâre simți o scădere bruscă în greutate; la urcare, dimpotrivă, podeaua îți apasă picioarele cu mai multă forță decât de obicei.

Dar un singur sentiment nu dovedește nimic. Până la urmă, senzațiile încearcă să ne convingă că Soarele se mișcă pe cer în jurul Pământului nemișcat, că toate stelele și planetele sunt la aceeași distanță de noi, în firmament etc.

Oamenii de știință au supus senzațiile verificării experimentale. Până și Newton s-a gândit la ciudata identitate a celor două fenomene. A încercat să le dea caracteristici numerice. După ce a măsurat gravitația și, a fost convins că valorile lor sunt întotdeauna strict egale între ele.

Din orice materiale a făcut pendulele plantei pilot: din argint, plumb, sticlă, sare, lemn, apă, aur, nisip, grâu. Rezultatul a fost același.

Principiul echivalenței, despre care vorbim, stă la baza teoriei generale a relativității, deși interpretarea modernă a teoriei nu mai are nevoie de acest principiu. Omitând deducțiile matematice care decurg din acest principiu, să trecem direct la unele consecințe ale teoriei generale a relativității.

Prezența unor mase mari de materie afectează foarte mult spațiul înconjurător. Ea duce la astfel de schimbări în el, care pot fi definite ca neomogenități ale spațiului. Aceste neomogenități direcționează mișcarea oricăror mase care se află aproape de corpul care atrage.

De obicei, recurge la o astfel de analogie. Imaginează-ți o pânză întinsă strâns pe un cadru paralel cu suprafața pământului. Pune o greutate mare pe ea. Aceasta va fi marea noastră masă atrăgătoare. Ea, desigur, va îndoi pânza și va ajunge într-o adâncime. Acum rotiți mingea peste această pânză în așa fel încât o parte a traseului ei să se afle lângă masa care atrage. În funcție de modul în care mingea va fi lansată, sunt posibile trei opțiuni.

1. Mingea va zbura suficient de departe de adâncitura creată de devierea pânzei și nu își va schimba mișcarea.
2. Mingea va atinge adâncitura, iar liniile mișcării sale se vor îndoi spre masa de atragere.
3. Bila va cădea în această gaură, nu va putea ieși din ea și va face una sau două rotații în jurul masei gravitatoare.

Nu este adevărat că a treia opțiune modelează foarte frumos capturarea de către o stea sau o planetă a unui corp străin zburat neglijent în câmpul lor de atracție?

Iar al doilea caz este îndoirea traiectoriei unui corp care zboară cu o viteză mai mare decât viteza posibilă de captare! Primul caz este similar cu zborul în afara zonei practice a câmpului gravitațional. Da, este practic, pentru că teoretic câmpul gravitațional este nelimitat.

Desigur, aceasta este o analogie foarte îndepărtată, în primul rând pentru că nimeni nu își poate imagina cu adevărat devierea spațiului nostru tridimensional. Care este semnificația fizică a acestei deviații sau curburi, așa cum se spune adesea, nimeni nu știe.

Din teoria generală a relativității rezultă că orice corp material se poate mișca într-un câmp gravitațional numai de-a lungul liniilor curbe. Doar în cazuri speciale, curba se transformă într-o linie dreaptă.

De asemenea, raza de lumină se supune acestei reguli. La urma urmei, este format din fotoni care au o anumită masă în zbor. Și câmpul gravitațional își are efectul asupra lui, precum și asupra unei molecule, a unui asteroid sau a unei planete.

O altă concluzie importantă este că și câmpul gravitațional modifică cursul timpului. Lângă o masă mare de atragere, într-un câmp gravitațional puternic creat de aceasta, trecerea timpului ar trebui să fie mai lentă decât departe de aceasta.

Vedeți, iar teoria generală a relativității este plină de concluzii paradoxale care ne pot răsturna ideile de „bun simț” din nou și din nou!

Colapsul gravitațional

Să vorbim despre un fenomen uimitor de natură cosmică - despre colapsul gravitațional (compresie catastrofală). Acest fenomen are loc în acumulări gigantice de materie, unde forțele gravitaționale ating mărimi atât de enorme încât nicio altă forță existentă în natură nu le poate rezista.

Amintiți-vă de celebra formulă a lui Newton: cu cât forța gravitației este mai mare, cu atât este mai mic pătratul distanței dintre corpurile gravitatoare. Astfel, cu cât formarea materială devine mai densă, cu cât dimensiunea sa este mai mică, cu atât forțele gravitaționale cresc mai rapid, cu atât mai inevitabil este îmbrățișarea lor distructivă.

Există o tehnică vicleană prin care natura se luptă cu comprimarea aparent nelimitată a materiei. Pentru a face acest lucru, oprește însuși cursul timpului în sfera de acțiune a forțelor gravitaționale supergigant, iar masele de materie încătușate sunt, parcă, deconectate de Universul nostru, înghețate într-un vis ciudat, letargic.

Prima dintre aceste „găuri negre” ale cosmosului a fost probabil deja descoperită. Conform ipotezei oamenilor de știință sovietici O. Kh. Huseynov și A. Sh. Novruzova, este delta Gemenilor - o stea dublă cu o componentă invizibilă.

Componenta vizibilă are o masă de 1,8 solar, iar „partenerul” său invizibil ar trebui să fie, conform calculelor, de patru ori mai masiv decât cel vizibil. Dar nu există urme ale acesteia: este imposibil să vezi cea mai uimitoare creație a naturii, „gaura neagră”.

Omul de știință sovietic, profesorul K.P. Stanyukovich, așa cum se spune, „pe vârful unui stilou”, a arătat prin construcții pur teoretice că particulele de „materie înghețată” pot avea dimensiuni foarte diverse.

• Formațiunile sale gigantice sunt posibile, asemănătoare quasarelor, care radiază continuu atâta energie cât radiază toate cele 100 de miliarde de stele ale galaxiei noastre.
• Sunt posibile aglomerări mult mai modeste, egale cu doar câteva mase solare. Atât acele obiecte, cât și alte obiecte pot apărea singure din materie obișnuită, nu „dormită”.
• Și sunt posibile formațiuni dintr-o clasă complet diferită, proporțională în masă cu particulele elementare.

Pentru ca ele să apară, este necesar să supunem mai întâi materia care îi face să ajungă la o presiune gigantică și să o conducem în limitele sferei Schwarzschild - o sferă în care timpul pentru un observator extern se oprește complet. Și chiar dacă după aceea presiunea este chiar îndepărtată, particulele pentru care timpul s-a oprit vor continua să existe independent de Universul nostru.

plankeons

Plankeonii sunt o clasă foarte specială de particule. Ei posedă, potrivit lui K.P. Stanyukovich, o proprietate extrem de interesantă: poartă materia în ei înșiși într-o formă neschimbată, așa cum era acum milioane și miliarde de ani. Privind în interiorul plankeonului, am putut vedea materia așa cum era la momentul nașterii universului nostru. Conform calculelor teoretice, în Univers există aproximativ 1080 de plankeoni, aproximativ un plankeon într-un cub de spațiu cu o latură de 10 centimetri. Apropo, în același timp cu Stanyukovici și (indiferent de el, ipoteza plankeonilor a fost prezentată de academicianul M.A. Markov. Numai Markov le-a dat un alt nume - maximoni.

Proprietățile speciale ale plankeonilor pot fi, de asemenea, folosite pentru a explica transformările uneori paradoxale ale particulelor elementare. Se știe că atunci când două particule se ciocnesc, fragmentele nu se formează niciodată, dar apar alte particule elementare. Acest lucru este cu adevărat uimitor: în lumea obișnuită, rupând o vază, nu vom primi niciodată căni întregi sau măcar rozete. Dar să presupunem că în adâncurile fiecărei particule elementare există un plankeon, unul sau mai mulți și uneori mulți plankeon.

În momentul ciocnirii particulelor, „sacul” strâns legat al plankeonului se deschide ușor, unele particule vor „cădea” în el și în loc să le „sare” pe cele pe care le considerăm că au apărut în timpul coliziunii. Totodată, plankeonul, în calitate de contabil diligent, va asigura toate „legile conservării” adoptate în lumea particulelor elementare.
Ei bine, ce legătură are mecanismul gravitației universale cu el?

„Responsabile” de gravitație, conform ipotezei lui K. P. Stanyukovich, sunt particulele minuscule, așa-numitele gravitoni, emise continuu de particulele elementare. Gravitonii sunt la fel de mai mici decât cei din urmă, precum un fir de praf care dansează într-o rază de soare este mai mic decât globul.

Radiația gravitonilor respectă o serie de regularități. În special, sunt mai ușor de zburat în acea regiune a spațiului. Care conține mai puțini gravitoni. Aceasta înseamnă că, dacă există două corpuri cerești în spațiu, ambele vor radia gravitoni predominant „înspre exterior”, în direcții opuse unul față de celălalt. Acest lucru creează un impuls care determină corpurile să se apropie unele de altele, să se atragă.

În această secțiune, vom vorbi despre uimitoarea presupunere a lui Newton, care a condus la descoperirea legii gravitației universale.
De ce o piatră eliberată din mâini cade la pământ? Pentru că este atras de Pământ, veți spune fiecare dintre voi. De fapt, piatra cade pe Pământ cu accelerație de cădere liberă. În consecință, o forță îndreptată spre Pământ acționează asupra pietrei din partea Pământului. Conform celei de-a treia legi a lui Newton, piatra acționează și asupra Pământului cu același modul de forță îndreptat spre piatră. Cu alte cuvinte, forțele de atracție reciprocă acționează între Pământ și piatră.
presupunerea lui Newton
Newton a fost primul care a ghicit, apoi a demonstrat cu strictețe, că motivul care provoacă căderea unei pietre pe Pământ, mișcarea Lunii în jurul Pământului și a planetelor în jurul Soarelui, este unul și același. Aceasta este forța gravitațională care acționează între toate corpurile Universului. Iată cursul raționamentului său, dat în lucrarea principală a lui Newton „Principiile matematice ale filosofiei naturale”: „O piatră aruncată pe orizontală se va abate
, \\
1
/ /
La
Orez. 3.2
sub influența gravitației dintr-o cale dreaptă și, după ce a descris o traiectorie curbă, va cădea în sfârșit pe Pământ. Dacă îl arunci cu mai multă viteză, ! apoi va cădea mai departe” (Fig. 3.2). Continuând aceste considerații, Newton \ ajunge la concluzia că, dacă nu ar fi rezistența aerului, atunci traiectoria unei pietre aruncate de pe un munte înalt cu o anumită viteză ar putea deveni de așa natură încât nu ar ajunge deloc la suprafața Pământului, dar s-ar mișca în jurul lui „la fel cum planetele își descriu orbitele în spațiul ceresc”.
Acum ne-am obișnuit atât de mult cu mișcarea sateliților în jurul Pământului, încât nu este nevoie să explicăm gândirea lui Newton mai detaliat.
Deci, potrivit lui Newton, mișcarea Lunii în jurul Pământului sau a planetelor în jurul Soarelui este, de asemenea, o cădere liberă, dar doar o cădere care durează fără oprire miliarde de ani. Motivul unei astfel de „căderi” (fie că vorbim cu adevărat despre căderea unei pietre obișnuite pe Pământ sau despre mișcarea planetelor pe orbitele lor) este forța gravitației universale. De ce depinde această forță?
Dependența forței gravitaționale de masa corpurilor
În § 1.23 am vorbit despre căderea liberă a corpurilor. Au fost menționate experimentele lui Galileo, care au demonstrat că Pământul comunică aceeași accelerație tuturor corpurilor dintr-un loc dat, indiferent de masa lor. Acest lucru este posibil numai dacă forța de atracție către Pământ este direct proporțională cu masa corpului. În acest caz, accelerația căderii libere, egală cu raportul dintre forța gravitațională și masa corpului, este o valoare constantă.
Într-adevăr, în acest caz, o creștere a masei m, de exemplu, cu un factor de doi va duce la o creștere a modulului forței F tot cu un factor de doi, iar accelerația
F
reniul, care este egal cu raportul - , va rămâne neschimbat.
Generalizând această concluzie pentru forțele de gravitație dintre orice corp, concluzionăm că forța de gravitație universală este direct proporțională cu masa corpului asupra căreia acționează această forță. Dar cel puțin două corpuri participă la atracția reciprocă. Fiecare dintre ele, conform celei de-a treia legi a lui Newton, este supus aceluiași modul de forțe gravitaționale. Prin urmare, fiecare dintre aceste forțe trebuie să fie proporțională atât cu masa unui corp, cât și cu masa celuilalt corp.
Prin urmare, forța de gravitație universală între două corpuri este direct proporțională cu produsul maselor lor:
F - aici2. (3.2.1)
Ce altceva determină forța gravitațională care acționează asupra unui corp dat din alt corp?
Dependența forței gravitaționale de distanța dintre corpuri
Se poate presupune că forța gravitației ar trebui să depindă de distanța dintre corpuri. Pentru a testa corectitudinea acestei ipoteze și pentru a găsi dependența forței gravitaționale de distanța dintre corpuri, Newton a apelat la mișcarea satelitului Pământului - Luna. Mișcarea sa a fost studiată în acele vremuri cu mult mai precis decât mișcarea planetelor.
Revoluția Lunii în jurul Pământului are loc sub influența forței gravitaționale dintre ele. Aproximativ, orbita Lunii poate fi considerată un cerc. Prin urmare, Pământul conferă Lunii accelerație centripetă. Se calculează prin formula
l 2
a \u003d - Tg
unde B este raza orbitei lunare, egală cu aproximativ 60 de raze ale Pământului, T \u003d 27 zile 7 h 43 min \u003d 2,4 106 s este perioada de revoluție a Lunii în jurul Pământului. Tinand cont ca raza Pamantului R3 = 6,4 106 m, obtinem ca acceleratia centripeta a Lunii este egala cu:
2 6 4k 60 ¦ 6,4 ¦ 10
M „ „„ „. , despre
a = 2 ~ 0,0027 m/s*.
(2,4 ¦ 106 s)
Valoarea găsită a accelerației este mai mică decât accelerația căderii libere a corpurilor de lângă suprafața Pământului (9,8 m/s2) de aproximativ 3600 = 602 ori.
Astfel, o creștere a distanței dintre corp și Pământ de 60 de ori a condus la o scădere a accelerației transmise de gravitația Pământului și, în consecință, a forței gravitaționale în sine, de 602 de ori.
Aceasta duce la o concluzie importantă: accelerația transmisă corpurilor de forța de atracție a Pământului scade invers proporțional cu pătratul distanței până la centrul Pământului:
ci
a = -k, (3.2.2)
R
unde Cj este un coeficient constant, același pentru toate corpurile.
legile lui Kepler
Studiul mișcării planetelor a arătat că această mișcare este cauzată de forța gravitației către Soare. Folosind observații atente pe termen lung ale astronomului danez Tycho Brahe, savantul german Johannes Kepler la începutul secolului al XVII-lea. a stabilit legile cinematice ale mișcării planetare – așa-numitele legi ale lui Kepler.
Prima lege a lui Kepler
Toate planetele se mișcă în elipse cu Soarele la unul dintre focare.
O elipsă (Fig. 3.3) este o curbă plată închisă, suma distanțelor de la orice punct din care până la două puncte fixe, numite focare, este constantă. Această sumă de distanțe este egală cu lungimea axei majore AB a elipsei, adică.
FgP + F2P = 2b,
unde Fl și F2 sunt focarele elipsei și b = ^^ este semiaxa sa majoră; O este centrul elipsei. Punctul orbitei cel mai apropiat de Soare se numește periheliu, iar punctul cel mai îndepărtat de acesta se numește p.

LA
Orez. 3.4
„2
B A A afeliu. Dacă Soarele este în focalizarea Fr (vezi Fig. 3.3), atunci punctul A este periheliu, iar punctul B este afeliu.
A doua lege a lui Kepler
Raza-vector al planetei pentru aceleași intervale de timp descrie zone egale. Deci, dacă sectoarele umbrite (Fig. 3.4) au aceeași zonă, atunci căile si> s2> s3 vor fi parcurse de planetă în intervale de timp egale. Din figură se poate observa că Sj > s2. În consecință, viteza liniară a planetei în diferite puncte ale orbitei sale nu este aceeași. La periheliu, viteza planetei este cea mai mare, la afeliu - cea mai mică.
a treia lege a lui Kepler
Pătratele perioadelor orbitale ale planetelor din jurul Soarelui sunt legate ca cuburi ale semi-axelor majore ale orbitelor lor. Indicând semiaxa majoră a orbitei și perioada de revoluție a uneia dintre planete prin bx și Tv și cealaltă - prin b2 și T2, a treia lege a lui Kepler poate fi scrisă după cum urmează:

Din această formulă se poate observa că, cu cât planeta este mai departe de Soare, cu atât perioada sa de revoluție în jurul Soarelui este mai lungă.
Pe baza legilor lui Kepler, se pot trage anumite concluzii cu privire la accelerațiile transmise planetelor de către Soare. Pentru simplitate, vom presupune că orbitele nu sunt eliptice, ci circulare. Pentru planetele sistemului solar, această înlocuire nu este o aproximare foarte grosieră.
Apoi, forța de atracție din partea Soarelui în această aproximare ar trebui direcționată pentru toate planetele către centrul Soarelui.
Dacă prin T notăm perioadele de revoluție ale planetelor, iar prin R razele orbitelor lor, atunci, conform celei de-a treia legi a lui Kepler, pentru două planete putem scrie
t\L? T2 R2
Accelerație normală la deplasarea într-un cerc a = co2R. Prin urmare, raportul dintre accelerațiile planetelor
Q-i GlD.
7G=-2~- (3-2-5)
2t:r0
Folosind ecuația (3.2.4), obținem
T2
Deoarece a treia lege a lui Kepler este valabilă pentru toate planetele, atunci accelerația fiecărei planete este invers proporțională cu pătratul distanței sale de la Soare:
Oh oh
a = -|. (3.2.6)
WT
Constanta C2 este aceeași pentru toate planetele, dar nu coincide cu constanta C2 din formula pentru accelerația dată corpurilor de către glob.
Expresiile (3.2.2) și (3.2.6) arată că forța gravitațională în ambele cazuri (atracție către Pământ și atracție către Soare) conferă tuturor corpurilor o accelerație care nu depinde de masa lor și scade invers cu pătratul lui distanta dintre ele:
F~a~-2. (3.2.7)
R
Legea gravitației
Existența dependențelor (3.2.1) și (3.2.7) înseamnă că forța de gravitație universală 12
TP.L Sh
F~
R2? ТТТ-i ТПп
F=G
În 1667, Newton a formulat în sfârșit legea gravitației universale:
(3.2.8) R
Forța de atracție reciprocă a două corpuri este direct proporțională cu produsul maselor acestor corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Factorul de proporționalitate G se numește constantă gravitațională.
Interacțiunea punctului și a corpurilor extinse
Legea gravitației universale (3.2.8) este valabilă numai pentru astfel de corpuri ale căror dimensiuni sunt neglijabile în comparație cu distanța dintre ele. Cu alte cuvinte, este valabil doar pentru punctele materiale. În acest caz, forțele de interacțiune gravitațională sunt direcționate de-a lungul liniei care leagă aceste puncte (Fig. 3.5). Astfel de forțe sunt numite centrale.
Pentru a afla forța gravitațională care acționează asupra unui corp dat de la altul, în cazul în care dimensiunea corpurilor nu poate fi neglijată, procedați după cum urmează. Ambele corpuri sunt împărțite mental în elemente atât de mici încât fiecare dintre ele poate fi considerat un punct. Adunând forțele gravitaționale care acționează asupra fiecărui element al unui corp dat din toate elementele altui corp, obținem forța care acționează asupra acestui element (Fig. 3.6). După ce au făcut o astfel de operație pentru fiecare element al unui corp dat și adunând forțele rezultate, ei găsesc forța gravitațională totală care acționează asupra acestui corp. Această sarcină este dificilă.
Există, totuși, un caz practic important când formula (3.2.8) este aplicabilă corpurilor extinse. Se poate dovedi
m^
Smochin. 3.5 Fig. 3.6
Se poate afirma că corpurile sferice, a căror densitate depinde doar de distanțele până la centrele lor, la distanțe dintre ele mai mari decât suma razelor lor, sunt atrase cu forțe ale căror module sunt determinate de formula (3.2.8). . În acest caz, R este distanța dintre centrele bilelor.
Și în cele din urmă, deoarece dimensiunile corpurilor care cad pe Pământ sunt mult mai mici decât dimensiunile Pământului, aceste corpuri pot fi considerate ca fiind puncte. Apoi sub R în formula (3.2.8) ar trebui să înțelegem distanța de la corpul dat până la centrul Pământului.
Între toate corpurile există forțe de atracție reciprocă, în funcție de corpurile în sine (masele lor) și de distanța dintre ele.
? 1. Distanța de la Marte la Soare este cu 52% mai mare decât distanța de la Pământ la Soare. Care este durata unui an pe Marte? 2. Cum se va schimba forța de atracție dintre bile dacă bilele de aluminiu (Fig. 3.7) sunt înlocuite cu bile de oțel de aceeași masă? acelasi volum?

Absolut toate corpurile materiale, atât situate direct pe Pământ, cât și existente în Univers, sunt atrase în mod constant unele de altele. Faptul că această interacțiune nu este în niciun caz posibilă întotdeauna de văzut sau simțit, spune doar că această atracție este relativ slabă în aceste cazuri specifice.

Interacțiunea dintre corpurile materiale, care constă în lupta lor constantă unul pentru celălalt, conform termenilor fizici de bază, se numește gravitațională, în timp ce fenomenul de atracție în sine se numește gravitație.

Fenomenul gravitației este posibil deoarece există un câmp gravitațional în jurul absolut orice corp material (inclusiv în jurul unei persoane). Acest câmp este un tip aparte de materie, de acțiunea căreia nimic nu poate fi protejat și cu ajutorul căreia un corp acționează asupra altuia, provocând accelerarea către centrul sursei acestui câmp. A servit drept bază pentru gravitația universală formulată în 1682 de naturalistul și filozoful englez I..

Conceptul de bază al acestei legi este forța gravitațională, care, așa cum am menționat mai sus, nu este altceva decât rezultatul acțiunii unui câmp gravitațional asupra unui anumit corp material. constă în faptul că forța cu care se produce atracția reciprocă a corpurilor atât pe Pământ, cât și în spațiul cosmic depinde direct de produsul masei acestor corpuri și este invers legată de distanța care separă aceste obiecte.

Astfel, forța gravitațională, a cărei definiție a fost dată de însuși Newton, depinde doar de doi factori principali - masa corpurilor care interacționează și distanța dintre ele.

Confirmarea faptului că acest fenomen depinde de masa materiei poate fi găsită studiind interacțiunea Pământului cu corpurile care îl înconjoară. La scurt timp după Newton, un alt om de știință celebru, Galileo, a arătat în mod convingător că la , planeta noastră dă tuturor corpurilor exact aceeași accelerație. Acest lucru este posibil numai dacă corpul către Pământ depinde direct de masa acestui corp. La urma urmei, într-adevăr, în acest caz, cu o creștere a masei de câteva ori, forța gravitației care acționează va crește exact de același număr de ori, în timp ce accelerația va rămâne neschimbată.

Dacă continuăm acest gând și luăm în considerare interacțiunea a oricăror două corpuri de pe suprafața „planetei albastre”, atunci putem ajunge la concluzia că aceeași forță acționează asupra fiecăruia dintre ele din „mama noastră Pământ”. În același timp, bazându-ne pe celebra lege formulată de același Newton, putem spune cu încredere că mărimea acestei forțe va depinde direct de masa corpului, prin urmare forța gravitațională dintre aceste corpuri este direct dependentă de produs. a maselor lor.

Pentru a demonstra că depinde de mărimea decalajului dintre corpuri, Newton a trebuit să implice Luna ca „aliat”. S-a stabilit de mult timp că accelerația cu care corpurile cad pe Pământ este aproximativ egală cu 9,8 m/s ^ 2, dar Luna în raport cu planeta noastră, în urma unei serii de experimente, s-a dovedit a fi doar 0,0027. m/s ^ 2.

Astfel, forța gravitațională este cea mai importantă mărime fizică care explică multe procese care au loc atât pe planeta noastră, cât și în spațiul exterior din jur.

Forța gravitației

Newton a descoperit legile mișcării corpurilor. Conform acestor legi, mișcarea cu accelerație este posibilă numai sub acțiunea unei forțe. Deoarece corpurile în cădere se mișcă cu accelerație, ele trebuie să fie supuse unei forțe îndreptate în jos spre Pământ. Este doar Pământul care are proprietatea de a atrage corpuri care sunt aproape de suprafața lui către sine? În 1667, Newton a sugerat că, în general, forțele de atracție reciprocă acționează între toate corpurile. El a numit aceste forțe forțele gravitației universale.

De ce nu observăm atracția reciprocă dintre corpurile din jurul nostru? Poate că acest lucru se datorează faptului că forțele de atracție dintre ele sunt prea mici?

Newton a reușit să arate că forța de atracție dintre corpuri depinde de masele ambelor corpuri și, după cum s-a dovedit, atinge o valoare notabilă doar atunci când corpurile care interacționează (sau cel puțin unul dintre ele) au o masă suficient de mare.

„GAURI” ÎN SPAȚIU ȘI TIMP

Găurile negre sunt produsul unor forțe gravitaționale gigantice. Ele apar atunci când, în cursul unei comprimări puternice a unei mase mari de materie, câmpul gravitațional în creștere devine atât de puternic încât nici măcar nu eliberează lumină, nimic nu poate ieși dintr-o gaură neagră. Poți cădea în el doar sub influența unor forțe gravitaționale uriașe, dar nu există nicio ieșire. Știința modernă a scos la iveală legătura timpului cu procesele fizice, chemate să „sondeze” primele verigi ale lanțului timpului din trecut și să-i urmărească proprietățile în viitorul îndepărtat.

Rolul maselor de atragere a corpurilor

Accelerația căderii libere se distinge prin trăsătura curioasă că este aceeași într-un loc dat pentru toate corpurile, pentru corpurile de orice masă. Cum să explic această proprietate ciudată?

Singura explicație care poate fi găsită pentru faptul că accelerația nu depinde de masa corpului este că forța F cu care Pământul atrage corpul este proporțională cu masa sa m.

Într-adevăr, în acest caz, o creștere a masei m, de exemplu, cu un factor de doi va duce la o creștere a modulului de forță F tot cu un factor de doi, în timp ce accelerația, care este egală cu raportul F /m, va rămâne neschimbat. Newton a făcut această singură concluzie corectă: forța gravitației universale este proporțională cu masa corpului asupra căreia acționează.

Dar la urma urmei, corpurile sunt atrase reciproc, iar forțele de interacțiune sunt întotdeauna de aceeași natură. În consecință, forța cu care corpul atrage Pământul este proporțională cu masa Pământului. Conform celei de-a treia legi a lui Newton, aceste forțe sunt egale în valoare absolută. Prin urmare, dacă una dintre ele este proporțională cu masa Pământului, atunci cealaltă forță egală cu aceasta este, de asemenea, proporțională cu masa Pământului. De aici rezultă că forța de atracție reciprocă este proporțională cu masele ambelor corpuri care interacționează. Și asta înseamnă că este proporțional cu produsul maselor ambelor corpuri.

DE CE GRAVITATEA ÎN SPAȚIU NU ESTE LA fel ca pe Pământ?

Fiecare obiect din univers acționează asupra altui obiect, se atrag unul pe celălalt. Forța de atracție, sau gravitația, depinde de doi factori.

În primul rând, depinde de câtă substanță conține obiectul, corpul, obiectul. Cu cât masa substanței corpului este mai mare, cu atât gravitația este mai puternică. Dacă un corp are o masă foarte mică, gravitația lui este mică. De exemplu, masa Pământului este de multe ori mai mare decât masa Lunii, astfel încât pământul are o forță gravitațională mai mare decât cea a Lunii.

În al doilea rând, forța gravitației depinde de distanțele dintre corpuri. Cu cât corpurile sunt mai aproape unele de altele, cu atât forța de atracție este mai mare. Cu cât sunt mai departe unul de celălalt, cu atât gravitația este mai mică.