V prírode existujú rôzne sily, ktoré charakterizujú interakciu telies. Zvážte tie sily, ktoré sa vyskytujú v mechanike.

gravitačné sily. Pravdepodobne prvou silou, ktorej existenciu si človek uvedomil, bola sila príťažlivosti pôsobiaca na telesá zo strany Zeme.

A trvalo mnoho storočí, kým ľudia pochopili, že medzi akýmikoľvek telesami pôsobí gravitačná sila. A trvalo mnoho storočí, kým ľudia pochopili, že medzi akýmikoľvek telesami pôsobí gravitačná sila. Tento fakt ako prvý pochopil anglický fyzik Newton. Analýzou zákonov, ktorými sa riadi pohyb planét (Keplerove zákony), dospel k záveru, že pozorované zákony pohybu planét možno naplniť len vtedy, ak medzi nimi pôsobí príťažlivá sila, ktorá je priamo úmerná ich hmotnostiam a nepriamo úmerná. na druhú mocninu vzdialenosti medzi nimi.

Newtonovo formulované zákon gravitácie. Akékoľvek dve telá sa navzájom priťahujú. Príťažlivá sila medzi bodovými telesami smeruje pozdĺž priamky, ktorá ich spája, je priamo úmerná hmotnosti oboch a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

Bodovými telesami sa v tomto prípade rozumejú telesá, ktorých rozmery sú mnohonásobne menšie ako vzdialenosť medzi nimi.

Gravitačné sily sa nazývajú gravitačné sily. Koeficient úmernosti G sa nazýva gravitačná konštanta. Jeho hodnota bola stanovená experimentálne: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².

gravitácia pôsobiace blízko povrchu Zeme, smeruje k jej stredu a vypočíta sa podľa vzorca:

kde g je zrýchlenie voľného pádu (g = 9,8 m/s²).

Úloha gravitácie v živej prírode je veľmi významná, pretože veľkosť, tvar a proporcie živých bytostí do značnej miery závisia od jej veľkosti.

Telesná hmotnosť. Zvážte, čo sa stane, keď sa bremeno umiestni na vodorovnú rovinu (podporu). V prvom momente po spustení sa bremeno začne pôsobením gravitácie pohybovať smerom nadol (obr. 8).

Rovina sa ohýba a vzniká elastická sila (reakcia podpery), smerujúca nahor. Potom, čo pružná sila (Fy) vyrovná gravitačnú silu, zastaví sa spúšťanie tela a vychýlenie podpery.

Priehyb podpery vznikol pôsobením tela, preto na podperu zo strany tela pôsobí určitá sila (P), ktorá sa nazýva hmotnosť tela (obr. 8, b). Podľa tretieho Newtonovho zákona sa hmotnosť telesa rovná sile reakcie podpory a smeruje opačným smerom.

P \u003d - Fu \u003d F ťažké.

telesná hmotnosť nazývaná sila P, ktorou teleso pôsobí na vodorovnú podperu, ktorá je voči nej stacionárna.

Keďže na podperu pôsobí gravitácia (váha), deformuje sa a v dôsledku pružnosti pôsobí proti sile gravitácie. Sily vyvinuté v tomto prípade zo strany podpory sa nazývajú sily reakcie podpory a samotný jav vývoja protiakcie sa nazýva reakcia podpory. Podľa tretieho Newtonovho zákona je reakčná sila podpery rovnako veľká ako gravitačná sila telesa a má opačný smer.

Ak sa osoba na podpere pohybuje so zrýchlením článkov svojho tela nasmerovaných preč od podpery, potom sa reakčná sila podpery zvýši o hodnotu ma, kde m je hmotnosť osoby a sú zrýchlenia, s ktorými články jeho tela sa pohybujú. Tieto dynamické efekty je možné zaznamenať pomocou tenzometrických zariadení (dynamogramov).

Hmotnosť by sa nemala zamieňať s telesnou hmotnosťou. Hmotnosť telesa charakterizuje jeho zotrvačné vlastnosti a nezávisí ani od gravitačnej sily, ani od zrýchlenia, s ktorým sa pohybuje.

Hmotnosť telesa charakterizuje silu, ktorou pôsobí na podperu a závisí tak od gravitačnej sily, ako aj od zrýchlenia pohybu.

Napríklad na Mesiaci je hmotnosť telesa asi 6-krát menšia ako hmotnosť telesa na Zemi.Hmotnosť je v oboch prípadoch rovnaká a je určená množstvom hmoty v telese.

V každodennom živote, technológii, športe sa hmotnosť často neuvádza v newtonoch (N), ale v kilogramoch sily (kgf). Prechod z jednej jednotky na druhú sa uskutočňuje podľa vzorca: 1 kgf = 9,8 N.

Keď sú podpera a telo nehybné, potom sa hmotnosť tela rovná gravitačnej sile tohto tela. Keď sa podpora a telo pohybujú s určitým zrýchlením, potom v závislosti od jeho smeru môže telo zažiť stav beztiaže alebo preťaženie. Keď sa zrýchlenie zhoduje v smere a rovná sa zrýchleniu voľného pádu, hmotnosť tela bude nulová, takže nastáva stav beztiaže (ISS, vysokorýchlostný výťah pri spúšťaní dole). Keď je zrýchlenie pohybu podpery opačné ako zrýchlenie voľného pádu, osoba zažije preťaženie (štart z povrchu Zeme kozmickej lode s posádkou, vysokorýchlostný výťah idúci hore).

Nielen tie najzáhadnejšie sily prírody ale aj najmocnejší.

Muž na ceste k pokroku

Historicky to tak bolo človek ako sa posúvate vpred cesty pokroku ovládal stále mocnejšie prírodné sily. Začal, keď nemal nič iné ako palicu v päste a vlastnú fyzickú silu.

Ale bol múdry a do svojich služieb vniesol fyzickú silu zvierat, vďaka ktorým sa stali domácimi. Kôň zrýchlil svoj beh, ťava urobila púšť priechodnou, slon močaristú džungľu. Ale fyzické sily aj tých najsilnejších zvierat sú v porovnaní so silami prírody nesmierne malé.

Prvá osoba si podmanila živel ohňa, ale len v jeho najslabších verziách. Spočiatku – dlhé stáročia – používal ako palivo len drevo – veľmi nízkoenergetický druh paliva. O niečo neskôr sa naučil využívať veternú energiu z tohto zdroja energie, človek zdvihol biele krídlo plachty do vzduchu - a ľahká loď preletela ako vták ponad vlny.

Plachetnica na vlnách

Lopatky veterného mlyna vystavil poryvom vetra – a ťažké kamene mlynských kameňov sa roztočili, paličky krúp rachotili. Každému je ale jasné, že energia prúdov vzduchu ani zďaleka nie je koncentrovaná. Plachta aj veterný mlyn sa navyše báli nárazov vetra: búrka roztrhala plachty a potopila lode, búrka zlomila krídla a prevrátila mlyny.

Aj neskôr začal človek dobýjať tečúcu vodu. Koleso je nielen najprimitívnejšie zo zariadení schopných premeniť energiu vody na rotačný pohyb, ale v porovnaní s rôznymi je aj najnedostatočnejšie.

Človek napredoval na rebríčku pokroku a potreboval stále viac energie.
Začal používať nové druhy palív – už prechod na spaľovanie uhlia zvýšil energetickú náročnosť kilogramu paliva z 2500 kcal na 7000 kcal – takmer trojnásobne. Potom prišiel čas ropy a zemného plynu. Energetický obsah každého kilogramu fosílneho paliva sa opäť zvýšil jeden a pol až dvakrát.

Parné stroje boli nahradené parnými turbínami; mlynské kolesá nahradili hydraulické turbíny. Potom muž natiahol ruku k štiepnemu atómu uránu. Prvé použitie nového druhu energie však malo tragické následky – jadrový plameň Hirošimy v roku 1945 spálil v priebehu niekoľkých minút 70-tisíc ľudských sŕdc.

V roku 1954 bola uvedená do prevádzky prvá sovietska jadrová elektráreň na svete, ktorá premenila silu uránu na žiarivú silu elektrického prúdu. A treba si uvedomiť, že kilogram uránu obsahuje dva milióny krát viac energie ako kilogram tej najlepšej ropy.

Išlo o zásadne nový oheň, ktorý by sa dal nazvať fyzikálnym, pretože práve fyzici študovali procesy vedúce k zrodu takého rozprávkového množstva energie.
Urán nie je jediným jadrovým palivom. Už sa používa výkonnejší typ paliva – izotopy vodíka.

Žiaľ, vodíkovo-héliový jadrový plameň sa človeku zatiaľ nepodarilo pokoriť. Vie, ako na chvíľu zapáliť svoj horiaci oheň a zapáliť reakciu vo vodíkovej bombe zábleskom výbuchu uránu. Čoraz bližšie však vedci vidia vodíkový reaktor, ktorý bude generovať elektrický prúd ako výsledok fúzie jadier izotopov vodíka na jadrá hélia.

Opäť platí, že množstvo energie, ktoré môže človek odobrať z každého kilogramu paliva, vzrastie takmer desaťnásobne. Bude však tento krok posledným v nadchádzajúcich dejinách ľudskej moci nad prírodnými silami?

nie! Ahead - zvládnutie gravitačnej formy energie. Príroda ho balí ešte prezieravejšie ako energia fúzie vodíka a hélia. Dnes je to najkoncentrovanejšia forma energie, o ktorej môže človek čo i len tušiť.

Nič viac tam za hranicami vedy ešte nie je viditeľné. A aj keď môžeme s istotou povedať, že elektrárne budú pracovať pre človeka, spracovanie gravitačnej energie na elektrický prúd (alebo možno na prúd plynu vylietavajúci z trysky prúdového motora alebo na plánovanú premenu všadeprítomných atómov kremíka a kyslíka do atómov ultravzácnych kovov), nevieme zatiaľ povedať nič o detailoch takejto elektrárne (raketový motor, fyzikálny reaktor).

Sila univerzálnej gravitácie pri počiatkoch zrodu galaxií

Sila univerzálnej gravitácie stojí na počiatku zrodu galaxií z predhviezdnej hmoty, ako je presvedčený akademik V.A. Ambartsumyan. Zhasne aj hviezdy, ktoré vyhoreli svoj čas, pretože minuli hviezdne palivo, ktoré im bolo pridelené pri narodení.

Áno, pozrite sa okolo seba: všetko na Zemi je do značnej miery ovládané touto silou.

Práve ona určuje vrstvenú štruktúru našej planéty – striedanie litosféry, hydrosféry a atmosféry. Práve ona drží hrubú vrstvu vzdušných plynov, na dne ktorej a vďaka ktorej všetci existujeme.

Ak by neexistovala gravitácia, Zem by sa okamžite vymanila z obežnej dráhy okolo Slnka a samotná zemeguľa by sa rozpadla na kusy, roztrhnutá odstredivými silami. Je ťažké nájsť niečo, čo by v tej či onej miere nebolo závislé od sily univerzálnej gravitácie.

Samozrejme, starovekí filozofi, veľmi pozorní ľudia, si nemohli nevšimnúť, že kameň hodený hore sa vždy vráti. Platón v 4. storočí pred Kristom to vysvetľoval tým, že všetky látky vesmíru smerujú tam, kde sa sústreďuje väčšina podobných látok: hodený kameň spadne na zem alebo ide ku dnu, rozliata voda presiakne do najbližšieho jazierka resp. do rieky, ktorá si razí cestu k moru, dym z ohňa sa ženie k jej spriazneným oblakom.

Žiak Platóna, Aristoteles, objasnil, že všetky telesá majú špeciálne vlastnosti, ako je váha a ľahkosť. Ťažké telesá - kamene, kovy - sa ponáhľajú do stredu vesmíru, svetlo - oheň, dym, pary - na perifériu. Táto hypotéza, ktorá vysvetľuje niektoré javy spojené so silou univerzálnej gravitácie, existuje už viac ako 2 tisíc rokov.

Vedci o gravitačnej sile

Pravdepodobne prvý, kto nastolí otázku gravitačná sila skutočne vedecký, bol génius renesancie - Leonardo da Vinci. Leonardo hlásal, že gravitácia je charakteristická nielen pre Zem, že existuje veľa ťažísk. A tiež navrhol, že sila gravitácie závisí od vzdialenosti od ťažiska.

Diela Koperníka, Galilea, Keplera, Roberta Hooka priblížili a priblížili myšlienku zákona univerzálnej gravitácie, ale vo svojej konečnej formulácii je tento zákon navždy spojený s menom Isaaca Newtona.

Isaac Newton o sile gravitácie

Narodil sa 4. januára 1643. Vyštudoval University of Cambridge, stal sa bakalárom, potom - magistrom vied.

Isaac Newton

Všetko, čo nasleduje, je nekonečné množstvo vedeckých prác. Ale jeho hlavným dielom sú „Matematické princípy prírodnej filozofie“, vydané v roku 1687 a zvyčajne nazývané jednoducho „Začiatky“. Práve v nich sa formuluje to veľké. Asi každý si ho pamätá zo strednej školy.

Všetky telesá sú k sebe priťahované silou, ktorá je priamo úmerná súčinu hmotností týchto telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi ...

Niektoré ustanovenia tejto formulácie mohli už Newtonovi predchodcovia predpokladať, no ešte nebola nikomu daná celá. Na zostavenie týchto fragmentov do jedného celku bol potrebný Newtonov génius, aby sa príťažlivosť Zeme rozšírila na Mesiac a Slnko na celý planetárny systém.

Zo zákona univerzálnej gravitácie Newton odvodil všetky zákony pohybu planét, ktoré objavil už Kepler. Boli to len jej následky. Navyše Newton ukázal, že nielen Keplerove zákony, ale aj odchýlky od týchto zákonov (vo svete troch a viacerých telies) sú výsledkom univerzálnej gravitácie... Bol to veľký triumf vedy.

Zdalo sa, že konečne bola objavená a matematicky opísaná hlavná sila prírody, ktorá hýbe svetmi, sila, ktorej podliehajú molekuly vzduchu, jablká a Slnko. Obrovský, nesmierne obrovský bol krok, ktorý urobil Newton.

Prvý popularizátor diela geniálneho vedca, francúzsky spisovateľ Francois Marie Arouet, svetoznámy pod pseudonymom Voltaire, povedal, že Newton pri pohľade na padajúce jablko zrazu uhádol existenciu zákona pomenovaného po ňom.

Sám Newton toto jablko nikdy nespomenul. A dnes sotva stojí za to strácať čas vyvracaním tejto krásnej legendy. A očividne Newton pochopil veľkú silu prírody logickým uvažovaním. Je pravdepodobné, že to bolo zahrnuté v zodpovedajúcej kapitole „Začiatky“.

Gravitačná sila ovplyvňuje let jadra

Predpokladajme, že na veľmi vysokej hore, tak vysokej, že jej vrchol je už mimo atmosféry, sme postavili gigantické delostrelectvo. Jeho hlaveň bola umiestnená striktne rovnobežne s povrchom zemegule a vystrelená. Opis oblúka jadro padá na zem.

Zvyšujeme náboj, zlepšujeme kvalitu pušného prachu, tak či onak prinútime jadro sa po ďalšom výstrele pohybovať vyššou rýchlosťou. Oblúk opísaný jadrom sa stáva plochejším. Jadro spadá oveľa ďalej od úpätia našej hory.

Tiež zvyšujeme náboj a strieľame. Jadro letí po takej miernej trajektórii, že klesá rovnobežne s povrchom zemegule. Jadro už nemôže spadnúť na Zem: rovnakou rýchlosťou, akou padá, Zem spod neho uniká. A po opísaní prstenca okolo našej planéty sa jadro vráti do východiskového bodu.

Pištoľ je možné medzitým vybrať. Veď let jadra okolo zemegule potrvá viac ako hodinu. A potom jadro rýchlo prejde cez vrchol hory a prejde do nového kruhu okolo Zeme. Pád, ak, ako sme sa dohodli, jadro nebude mať odpor vzduchu, nebude môcť nikdy.

Rýchlosť jadra by sa mala pohybovať okolo 8 km/s. A ak zvýšite rýchlosť letu jadra? Najprv poletí v oblúku, jemnejšom ako zakrivenie zemského povrchu, a začne sa od Zeme vzďaľovať. Zároveň sa zníži jeho rýchlosť pod vplyvom zemskej príťažlivosti.

A nakoniec, keď sa otočí, začne akoby padať späť k Zemi, ale preletí okolo nej a neuzavrie kruh, ale elipsu. Jadro sa bude pohybovať okolo Zeme presne tak, ako sa Zem pohybuje okolo Slnka, a to po elipse, v ktorej jednom z ohniskov sa bude nachádzať stred našej planéty.

Ak ďalej zvýšime počiatočnú rýchlosť jadra, elipsa sa ukáže byť viac natiahnutá. Túto elipsu je možné natiahnuť tak, že jadro dosiahne obežnú dráhu Mesiaca alebo ešte oveľa ďalej. Kým však počiatočná rýchlosť tohto jadra neprekročí 11,2 km/s, zostane satelitom Zeme.

Jadro, ktoré pri výstrele dostalo rýchlosť viac ako 11,2 km/s, navždy odletí od Zeme po parabolickej trajektórii. Ak je elipsa uzavretá krivka, potom parabola je krivka, ktorá má dve vetvy smerujúce do nekonečna. Pohybom po elipse, bez ohľadu na to, aká môže byť predĺžená, sa nevyhnutne systematicky vrátime k východiskovému bodu. Pohybujúc sa po parabole sa nikdy nevrátime do východiskového bodu.

Ale po opustení Zeme touto rýchlosťou jadro ešte nebude schopné lietať do nekonečna. Silná gravitácia Slnka ohne trajektóriu jeho letu a priblíži sa okolo seba ako trajektóriu planéty. Jadro sa stane sestrou Zeme, malou planétou v našej vlastnej rodine planét.

Aby bolo možné nasmerovať jadro mimo planetárneho systému, prekonať slnečnú príťažlivosť, je potrebné povedať mu rýchlosť viac ako 16,7 km / s a ​​nasmerovať ho tak, aby sa k tejto rýchlosti pripočítala rýchlosť vlastného pohybu Zeme. .

Rýchlosť okolo 8 km/s (táto rýchlosť závisí od výšky hory, z ktorej naše delo strieľa) sa nazýva kruhová rýchlosť, rýchlosti od 8 do 11,2 km/s sú eliptické, od 11,2 do 16,7 km/s sú parabolické, a nad toto číslo - oslobodzujúce rýchlosti.

Tu treba dodať, že uvedené hodnoty týchto rýchlostí platia len pre Zem. Ak by sme žili na Marse, kruhovú rýchlosť by sme dosiahli oveľa ľahšie – je to tam len asi 3,6 km/s a parabolická rýchlosť je len o niečo viac ako 5 km/s.

Na druhej strane by bolo oveľa ťažšie poslať jadro vesmírnym letom z Jupitera ako zo Zeme: kruhová rýchlosť na tejto planéte je 42,2 km/s, parabolická dokonca 61,8 km/s!

Pre obyvateľov Slnka by bolo najťažšie opustiť svoj svet (ak by, samozrejme, taký mohol existovať). Kruhová rýchlosť tohto obra by mala byť 437,6 a rýchlosť separácie - 618,8 km / s!

Takže Newton na konci 17. storočia, sto rokov pred prvým letom teplovzdušného balóna naplneného teplým vzduchom bratmi Montgolfierovými, dvesto rokov pred prvými letmi lietadla bratov Wrightovcov a takmer štvrť tisícročie pred štartom prvých rakiet na kvapalinu, ukázal cestu k oblohe pre satelity a kozmické lode.

Gravitačná sila je vlastná každej sfére

Používaním zákon gravitácie boli objavené neznáme planéty, vznikli kozmogonické hypotézy o vzniku slnečnej sústavy. Hlavná sila prírody, ktorá ovláda hviezdy, planéty, jablká v záhrade a molekuly plynu v atmosfére, bola objavená a matematicky opísaná.

Ale nepoznáme mechanizmus univerzálnej gravitácie. Newtonovská gravitácia nevysvetľuje, ale vizuálne predstavuje súčasný stav pohybu planét.

Nevieme, čo spôsobuje interakciu všetkých tiel Vesmíru. A nedá sa povedať, že by Newtona tento dôvod nezaujímal. Dlhé roky uvažoval nad jej možným mechanizmom.

Mimochodom, toto je skutočne mimoriadne tajomná sila. Sila, ktorá sa prejavuje v stovkách miliónov kilometrov priestoru, na prvý pohľad bez akýchkoľvek hmotných útvarov, pomocou ktorých by sa dal vysvetliť prenos interakcie.

Newtonove hypotézy

A newton uchýlil sa k hypotéza o existencii istého éteru, ktorý údajne napĺňa celý Vesmír. V roku 1675 vysvetlil príťažlivosť Zeme tým, že éter napĺňajúci celý Vesmír sa rúti do stredu Zeme v nepretržitých prúdoch, zachytávajúc všetky objekty v tomto pohybe a vytvára gravitačnú silu. Rovnaký prúd éteru sa rúti k Slnku a ťahajúc planéty, kométy, zabezpečuje ich eliptické trajektórie...

Nebola to veľmi presvedčivá, aj keď absolútne matematicky logická hypotéza. Ale teraz, v roku 1679, Newton vytvoril novú hypotézu vysvetľujúcu mechanizmus gravitácie. Tentoraz obdarúva éter vlastnosťou mať inú koncentráciu v blízkosti planét a ďaleko od nich. Čím ďalej od stredu planéty, tým je údajne hustejší éter. A má tú vlastnosť, že vytlačí všetky hmotné telesá z ich hustejších vrstiev do menej hustých. A všetky telesá sú vytlačené na povrch Zeme.

V roku 1706 Newton ostro popiera samotnú existenciu éteru. V roku 1717 sa opäť vracia k hypotéze o vytláčaní éteru.

Geniálny mozog Newtona bojoval o riešenie veľkej záhady a nenašiel ho. To vysvetľuje také prudké hádzanie zo strany na stranu. Newton hovorieval:

Nerobím si hypotézy.

A hoci to, ako sme si mohli len overiť, nie je celkom pravda, rozhodne môžeme konštatovať niečo iné: Newton dokázal jasne odlíšiť nesporné veci od nestálych a kontroverzných hypotéz. A v Živloch je vzorec veľkého zákona, ale nie je tu žiadny pokus vysvetliť jeho mechanizmus.
Veľký fyzik odkázal túto hádanku mužovi budúcnosti. Zomrel v roku 1727.
Nevyriešilo sa to ani dnes.

Diskusia o fyzikálnej podstate Newtonovho zákona trvala dve storočia. A možno by sa táto diskusia netýkala samotnej podstaty zákona, keby odpovedal presne na všetky otázky, ktoré mu boli položené.

Faktom však je, že časom sa ukázalo, že tento zákon nie je univerzálny. Že sú prípady, keď nevie vysvetliť ten či onen jav. Uveďme si príklady.

Gravitačná sila v Seeligerových výpočtoch

Prvým z nich je Seeligerov paradox. Seeliger, ktorý považoval vesmír za nekonečný a rovnomerne naplnený hmotou, sa pokúsil vypočítať podľa Newtonovho zákona univerzálnu gravitačnú silu vytvorenú celou nekonečne veľkou hmotnosťou nekonečného vesmíru v určitom bode v ňom.

Z pohľadu čistej matematiky to nebola ľahká úloha. Po prekonaní všetkých ťažkostí najzložitejších transformácií Seeliger zistil, že požadovaná sila univerzálnej gravitácie je úmerná polomeru vesmíru. A keďže sa tento polomer rovná nekonečnu, potom musí byť gravitačná sila nekonečne veľká. V praxi to však nevidíme. To znamená, že zákon univerzálnej gravitácie neplatí pre celý vesmír.

Možné sú však aj iné vysvetlenia paradoxu. Môžeme napríklad predpokladať, že hmota nevypĺňa celý Vesmír rovnomerne, ale jej hustota sa postupne zmenšuje a napokon niekde veľmi ďaleko nie je hmota vôbec. No predstaviť si takýto obraz znamená pripustiť možnosť existencie priestoru bez hmoty, čo je vo všeobecnosti absurdné.

Môžeme predpokladať, že gravitačná sila slabne rýchlejšie, ako rastie štvorec vzdialenosti. To však spochybňuje prekvapivú harmóniu Newtonovho zákona. Nie a toto vysvetlenie vedcov neuspokojilo. Paradox zostal paradoxom.

Pozorovania pohybu Merkúra

Ďalší fakt, pôsobenie sily univerzálnej gravitácie, nevysvetlený Newtonovým zákonom, priniesol pozorovanie pohybu Merkúra- najbližšie k planéte. Presné výpočty podľa Newtonovho zákona ukázali, že perehelion – bod elipsy, po ktorom sa Merkúr pohybuje najbližšie k Slnku – by sa mal za 100 rokov posunúť o 531 oblúkových sekúnd.

A astronómovia zistili, že tento posun sa rovná 573 oblúkovým sekundám. Tento prebytok - 42 oblúkových sekúnd - vedci tiež nedokázali vysvetliť iba pomocou vzorcov vyplývajúcich z Newtonovho zákona.

Vysvetlil ako Seeligerov paradox, tak aj premiestnenie Merkúrovho perhélia a mnohé ďalšie paradoxné javy a nevysvetliteľné skutočnosti. Albert Einstein, jeden z najväčších, ak nie najväčší fyzik všetkých čias. Medzi nepríjemné maličkosti patrila otázka éterický vietor.

Experimenty Alberta Michelsona

Zdalo sa, že táto otázka sa netýka priamo problému gravitácie. Týkal sa optiky, svetla. Presnejšie k definícii jeho rýchlosti.

Dánsky astronóm ako prvý určil rýchlosť svetla. Olaf Remer sledovanie zatmenia mesiacov Jupitera. Stalo sa tak už v roku 1675.

americký fyzik Albert Michelson na konci 18. storočia vykonal sériu stanovení rýchlosti svetla v pozemských podmienkach pomocou prístroja, ktorý navrhol.

V roku 1927 udával rýchlosť svetla 299796 + 4 km/s, čo bola na tie časy vynikajúca presnosť. Podstata veci je ale iná. V roku 1880 sa rozhodol preskúmať éterický vietor. Chcel konečne dokázať existenciu práve toho éteru, ktorého prítomnosťou sa snažili vysvetliť tak prenos gravitačnej interakcie, ako aj prenos svetelných vĺn.

Michelson bol pravdepodobne najpozoruhodnejším experimentátorom svojej doby. Mal vynikajúce vybavenie. A úspechom si bol takmer istý.

Esencia skúsenosti

Skúsenosť bol koncipovaný takto. Zem sa na svojej obežnej dráhe pohybuje rýchlosťou asi 30 km/s.. Pohybuje sa vzduchom. To znamená, že rýchlosť svetla zo zdroja, ktorý je pred prijímačom vzhľadom na pohyb Zeme, musí byť väčšia ako zo zdroja, ktorý je na druhej strane. V prvom prípade treba k rýchlosti svetla pripočítať rýchlosť éterického vetra, v druhom prípade musí rýchlosť svetla o túto hodnotu klesnúť.

Samozrejme, rýchlosť Zeme na jej obežnej dráhe okolo Slnka je len jedna desaťtisícina rýchlosti svetla. Nájsť taký malý termín je veľmi ťažké, no Michelson bol z nejakého dôvodu nazývaný kráľom presnosti. Využil dômyselný spôsob, ako zachytiť „nepolapiteľný“ rozdiel v rýchlostiach svetelných lúčov.

Lúč rozdelil na dva rovnaké prúdy a nasmeroval ich vo vzájomne kolmých smeroch: pozdĺž poludníka a pozdĺž rovnobežky. Lúče sa odrazili od zrkadiel a vrátili sa späť. Ak by na lúč idúci pozdĺž rovnobežky pôsobil vplyv éterického vetra, po pridaní k meridionálnemu lúču by mali vzniknúť interferenčné prúžky, vlny oboch lúčov by boli fázovo posunuté.

Pre Michelsona však bolo ťažké zmerať dráhy oboch lúčov s takou veľkou presnosťou, aby boli úplne rovnaké. Preto postavil aparatúru tak, aby tam neboli žiadne rušivé prúžky, a potom ju otočil o 90 stupňov.

Poludníkový lúč sa zmenil na zemepisnú šírku a naopak. Ak fúka éterický vietor, pod okulárom by sa mali objaviť čierne a svetlé pásiky! Ale neboli. Možno, že pri otáčaní zariadenia ho vedec posunul.

Napoludnie ho postavil a opravil. Veď okrem toho sa aj otáča okolo osi. A preto v rôznych časoch dňa zaujíma zemepisný lúč inú polohu vzhľadom na prichádzajúci éterický vietor. Teraz, keď je prístroj prísne nehybný, možno sa presvedčiť o presnosti experimentu.

Opäť neboli žiadne interferenčné prúžky. Experiment sa uskutočnil mnohokrát a Michelson a s ním všetci fyzici tej doby boli ohromení. Éterický vietor nebol zistený! Svetlo sa šírilo všetkými smermi rovnakou rýchlosťou!

Toto si nikto nevedel vysvetliť. Michelson opakoval experiment znova a znova, vylepšoval zariadenie a nakoniec dosiahol takmer neuveriteľnú presnosť merania, rádovo väčšiu, ako bolo potrebné pre úspech experimentu. A opäť nič!

Experimenty Alberta Einsteina

Ďalší veľký krok znalosť gravitačnej sily urobil Albert Einstein.
Alberta Einsteina sa raz opýtali:

Ako ste sa dostali k vašej špeciálnej teórii relativity? Za akých okolností ste prišli na geniálny nápad? Vedec odpovedal: „Vždy sa mi zdalo, že je to tak.

Možno nechcel byť úprimný, možno sa chcel zbaviť otravného partnera. Je však ťažké si predstaviť, že Einsteinova myšlienka spojenia medzi časom, priestorom a rýchlosťou bola vrodená.

Nie, samozrejme, najprv tam bolo tušenie, jasné ako blesk. Potom začal vývoj. Nie, neexistujú žiadne rozpory so známymi javmi. A potom sa objavilo tých päť strán plných vzorcov, ktoré boli publikované vo fyzickom časopise. Stránky, ktoré otvorili novú éru fyziky.

Predstavte si vesmírnu loď letiacu vesmírom. Hneď vás varujeme: hviezdna loď je veľmi zvláštna, o ktorej ste nečítali v príbehoch sci-fi. Jeho dĺžka je 300 tisíc kilometrov a jeho rýchlosť je, povedzme, 240 tisíc km / s. A táto vesmírna loď preletí okolo jednej z medziľahlých plošín vo vesmíre bez toho, aby sa pri nej zastavila. V plnej rýchlosti.

Jeden z pasažierov stojí na palube hviezdnej lode s hodinkami. A vy a ja, čitateľ, stojíme na plošine - jej dĺžka musí zodpovedať veľkosti hviezdnej lode, to znamená 300 tisíc kilometrov, inak sa na ňu nebude môcť držať. A v rukách máme aj hodinky.

Všimli sme si, že v momente, keď prova hviezdnej lode dobehla zadný okraj našej plošiny, zablikala na nej lampa, ktorá osvetlila priestor okolo nej. O sekundu neskôr dosiahol lúč svetla predný okraj našej plošiny. Nepochybujeme o tom, pretože poznáme rýchlosť svetla a podarilo sa nám presne určiť zodpovedajúci okamih na hodinách. A na hviezdnej lodi...

Hviezdna loď však tiež letela smerom k lúču svetla. A celkom určite sme videli, že svetlo osvetľovalo jeho kormu v momente, keď bola niekde blízko stredu nástupišťa. Definitívne sme videli, že lúč svetla neprešiel 300-tisíc kilometrov od provy po kormu lode.

Cestujúci na palube hviezdnej lode sú si však istí niečím iným. Sú si istí, že ich lúč pokryl celú vzdialenosť od prove po kormu 300 tisíc kilometrov. Napokon na tom strávil celú sekundu. Aj oni to absolútne presne zaznamenali na hodinky. A ako by to mohlo byť inak: koniec koncov, rýchlosť svetla nezávisí od rýchlosti zdroja ...

Ako to? Vidíme jednu vec z pevnej plošiny a druhú im na palube hviezdnej lode? Čo sa deje?

Einsteinova teória relativity

Okamžite treba poznamenať: Einsteinova teória relativity na prvý pohľad to absolútne odporuje našej zavedenej predstave o štruktúre sveta. Dá sa povedať, že odporuje aj zdravému rozumu, ako ho zvykneme prezentovať. V histórii vedy sa to stalo mnohokrát.

Ale objav guľovitého tvaru Zeme bol v rozpore so zdravým rozumom. Ako môžu ľudia žiť na opačnej strane a nespadnúť do priepasti?

Guľovitosť Zeme je pre nás nepochybným faktom a z hľadiska zdravého rozumu je akýkoľvek iný predpoklad nezmyselný a divoký. Ale ustúpte od svojho času, predstavte si prvý objav tejto myšlienky a pochopíte, aké ťažké by bolo prijať ju.

No bolo jednoduchšie priznať, že Zem nie je nehybná, ale letí po svojej trajektórii desaťkrát rýchlejšie ako delová guľa?

Všetko to boli trosky zdravého rozumu. Moderní fyzici sa naň preto nikdy neodvolávajú.

Teraz späť k špeciálnej teórii relativity. Svet ju prvýkrát spoznal v roku 1905 z článku podpísaného málo známym menom – Albert Einstein. A to mal vtedy len 26 rokov.

Einstein z tohto paradoxu vyvodil veľmi jednoduchý a logický predpoklad: z pohľadu pozorovateľa na plošine prešlo v idúcom aute menej času, ako namerali vaše náramkové hodinky. V aute sa plynutie času v porovnaní s časom na stojacom nástupišti spomalilo.

Z tohto predpokladu logicky vyplývali celkom úžasné veci. Ukázalo sa, že človek cestujúci do práce v električke v porovnaní s chodcom idúcim rovnakou cestou nielenže šetrí čas vďaka rýchlosti, ale ide mu to aj pomalšie.

Nesnažte sa však takto zachovať večnú mladosť: aj keď sa stanete kočičiarom a tretinu života strávite v električke, za 30 rokov získate sotva viac ako milióntinu sekundy. Aby sa zisk v čase stal viditeľným, je potrebné pohybovať sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla.

Ukazuje sa, že zvýšenie rýchlosti telies sa odráža v ich hmotnosti. Čím je rýchlosť telesa bližšia k rýchlosti svetla, tým väčšia je jeho hmotnosť. Pri rýchlosti telesa rovnajúcej sa rýchlosti svetla sa jeho hmotnosť rovná nekonečnu, čiže je väčšia ako hmotnosť Zeme, Slnka, Galaxie, celého nášho Vesmíru... Toľko hmoty môže byť sústredený v jednoduchej dlažobnej kocke, čím sa zrýchľuje na rýchlosť
Sveta!

To ukladá obmedzenie, ktoré žiadnemu hmotnému telu neumožňuje vyvinúť rýchlosť rovnajúcu sa rýchlosti svetla. Koniec koncov, ako hmota rastie, je čoraz ťažšie ju rozptýliť. A nekonečná hmota sa nedá pohnúť žiadnou silou.

Príroda však urobila z tohto zákona veľmi dôležitú výnimku pre celú triedu častíc. Napríklad pre fotóny. Môžu sa pohybovať rýchlosťou svetla. Presnejšie povedané, nemôžu sa pohybovať žiadnou inou rýchlosťou. Je nemysliteľné predstaviť si nehybný fotón.

Keď stojí, nemá žiadnu hmotnosť. Taktiež neutrína nemajú pokojovú hmotnosť a sú tiež odsúdené na večný neobmedzený let vesmírom maximálnou možnou rýchlosťou v našom Vesmíre, bez toho, aby predbiehali svetlo a držali s ním krok.

Nie je pravda, že každý z nami uvedených dôsledkov špeciálnej teórie relativity je prekvapivý, paradoxný! A každý, samozrejme, je v rozpore so „zdravým rozumom“!

Ale tu je to zaujímavé: nie vo svojej konkrétnej podobe, ale ako širokej filozofickej pozícii, všetky tieto úžasné dôsledky predpovedali zakladatelia dialektického materializmu. Čo hovoria tieto implikácie? O spojeniach, ktoré prepájajú energiu a hmotnosť, hmotnosť a rýchlosť, rýchlosť a čas, rýchlosť a dĺžku pohybujúceho sa objektu...

Einsteinov objav vzájomnej závislosti, ako je cement (viac:), spájajúci výstuže alebo základné kamene, spájal veci a javy, ktoré sa predtým zdali byť na sebe nezávislé, a vytvoril základ, na ktorom sa po prvý raz v histórii vedy opierala. možné postaviť harmonickú budovu. Táto budova je znázornením toho, ako funguje náš vesmír.

Najprv však aspoň pár slov o všeobecnej teórii relativity, ktorú vytvoril aj Albert Einstein.

Albert Einstein

Tento názov – všeobecná teória relativity – nie celkom korešponduje s obsahom teórie, o ktorej bude reč. Vytvára vzájomnú závislosť medzi priestorom a hmotou. Zrejme by bolo správnejšie to nazvať teória časopriestoru, alebo teória gravitácie.

Ale toto meno sa tak zblížilo s Einsteinovou teóriou, že dokonca aj nastolenie otázky jeho nahradenia sa mnohým vedcom zdá neslušné.

Všeobecná teória relativity stanovila vzájomnú závislosť medzi hmotou a časom a priestorom, ktoré ju obsahujú. Ukázalo sa, že priestor a čas si nielenže nemožno predstaviť ako existujúci oddelene od hmoty, ale ich vlastnosti závisia aj od hmoty, ktorá ich napĺňa.

Východiskový bod diskusie

Preto možno len špecifikovať východiskový bod diskusie a vyvodiť niekoľko dôležitých záverov.

Na začiatku vesmírnej cesty nečakaná katastrofa zničila knižnicu, filmový fond a ďalšie úložiská mysle, pamäti ľudí lietajúcich vesmírom. A povaha pôvodnej planéty je v zmene storočí zabudnutá. Dokonca aj zákon univerzálnej gravitácie je zabudnutý, pretože raketa letí v medzigalaktickom priestore, kde ju takmer necítiť.

Lodné motory však fungujú suverénne, zásoba energie v batériách je prakticky neobmedzená. Loď sa väčšinou pohybuje zotrvačnosťou a jej obyvatelia sú zvyknutí na stav beztiaže. Ale niekedy zapnú motory a spomalia alebo zrýchlia pohyb lode. Keď prúdové dýzy šľahajú do prázdna bezfarebným plameňom a loď sa pohybuje zrýchleným tempom, obyvatelia cítia, že ich telá ťažia, sú nútení chodiť po lodi a nelietať po chodbách.

A teraz je let blízko dokončenia. Loď letí k jednej z hviezd a padá na obežnú dráhu najvhodnejšej planéty. Hviezdne lode zhasnú, kráčajú po sviežej zelenej zemi a neustále zažívajú rovnaký pocit ťažkosti, známy z čias, keď sa loď pohybovala zrýchleným tempom.

Ale planéta sa pohybuje rovnomerne. Nedokáže k nim letieť s konštantným zrýchlením 9,8 m/s2! A majú prvý predpoklad, že gravitačné pole (gravitačná sila) a zrýchlenie majú rovnaký účinok a možno majú spoločnú povahu.

Žiadny z našich pozemských súčasníkov nebol na takom dlhom lete, ale mnohí pocítili fenomén „váženia“ a „odľahčenia“ svojich tiel. Už obyčajný výťah, keď sa pohybuje zrýchleným tempom, vytvára tento pocit. Pri zostupe cítite náhly úbytok hmotnosti, pri stúpaní naopak podlaha tlačí na nohy väčšou silou, ako je obvyklé.

Ale jeden pocit nič nedokazuje. Koniec koncov, vnemy sa nás snažia presvedčiť, že Slnko sa pohybuje na oblohe okolo nehybnej Zeme, že všetky hviezdy a planéty sú v rovnakej vzdialenosti od nás, na nebeskej klenbe atď.

Vedci podrobili senzácie experimentálnemu overeniu. Dokonca aj Newton sa zamyslel nad zvláštnou identitou týchto dvoch fenoménov. Snažil sa im dať číselné charakteristiky. Po meraní gravitácie a , bol presvedčený, že ich hodnoty sú vždy navzájom prísne rovnaké.

Z akýchkoľvek materiálov vyrobil kyvadlá pilotného zariadenia: zo striebra, olova, skla, soli, dreva, vody, zlata, piesku, pšenice. Výsledok bol rovnaký.

Princíp ekvivalencie, o ktorej hovoríme, je základom všeobecnej teórie relativity, hoci moderný výklad teórie už tento princíp nepotrebuje. Vynechajúc matematické dedukcie, ktoré z tohto princípu vyplývajú, pristúpme priamo k niektorým dôsledkom všeobecnej teórie relativity.

Prítomnosť veľkých hmôt hmoty výrazne ovplyvňuje okolitý priestor. Vedie v ňom k takým zmenám, ktoré možno definovať ako nehomogenity priestoru. Tieto nehomogenity riadia pohyb akýchkoľvek hmôt, ktoré sú v blízkosti priťahujúceho telesa.

Zvyčajne sa uchýlite k takejto analógii. Predstavte si plátno pevne natiahnuté na rám rovnobežný so zemským povrchom. Dajte na to veľkú váhu. Toto bude naša veľká priťahujúca masa. Tá, samozrejme, ohne plátno a skončí v nejakom výklenku. Teraz guľôčku prevaľujte cez toto plátno tak, aby časť jej dráhy ležala vedľa priťahujúcej hmoty. V závislosti od spôsobu vypustenia lopty sú možné tri možnosti.

1. Lopta poletí dostatočne ďaleko od vybrania vytvoreného priehybom plátna a nezmení svoj pohyb.
2. Lopta sa dotkne priehlbiny a línie jej pohybu sa ohýbajú smerom k priťahujúcej hmote.
3. Lopta spadne do tohto otvoru, nebude sa môcť z neho dostať a urobí jednu alebo dve otáčky okolo gravitujúcej hmoty.

Nie je pravda, že tretia možnosť veľmi krásne modeluje zachytenie cudzieho telesa hviezdou alebo planétou nedbalo prileteného do ich príťažlivého poľa?

A druhým prípadom je ohyb trajektórie telesa letiaceho rýchlosťou väčšou ako je možná rýchlosť zachytenia! Prvý prípad je podobný lietaniu mimo praktického dosahu gravitačného poľa. Áno, je to praktické, pretože teoreticky je gravitačné pole neobmedzené.

Samozrejme, toto je veľmi vzdialená analógia, predovšetkým preto, že nikto si skutočne nevie predstaviť vychýlenie nášho trojrozmerného priestoru. Aký je fyzikálny význam tohto vychýlenia alebo zakrivenia, ako sa často hovorí, nikto nevie.

Zo všeobecnej teórie relativity vyplýva, že každé hmotné teleso sa môže pohybovať v gravitačnom poli len po zakrivených čiarach. Len v osobitných prípadoch sa krivka mení na priamku.

Tomuto pravidlu sa riadi aj lúč svetla. Koniec koncov, pozostáva z fotónov, ktoré majú počas letu určitú hmotnosť. A gravitačné pole má naň vplyv, rovnako ako na molekulu, asteroid či planétu.

Ďalším dôležitým záverom je, že gravitačné pole mení aj priebeh času. V blízkosti veľkej priťahujúcej hmoty, v silnom gravitačnom poli ňou vytvorenom, by čas mal byť pomalší ako preč od nej.

Vidíte, a všeobecná teória relativity je plná paradoxných záverov, ktoré môžu znova a znova prevrátiť naše predstavy o „zdravom rozume“!

Gravitačný kolaps

Povedzme si niečo o úžasnom fenoméne kozmickej povahy – o gravitačnom kolapse (katastrofickej kompresii). K tomuto javu dochádza v gigantických nahromadeniach hmoty, kde gravitačné sily dosahujú také obrovské veľkosti, že im žiadne iné sily existujúce v prírode nedokážu odolať.

Pamätajte na slávny Newtonov vzorec: čím väčšia je gravitačná sila, tým menšia je štvorec vzdialenosti medzi gravitačnými telesami. Čím je teda hmotný útvar hustejší, tým je jeho veľkosť menšia, čím rýchlejšie rastú gravitačné sily, tým nevyhnutnejšie je ich deštruktívne objatie.

Existuje prefíkaná technika, pomocou ktorej príroda zápasí so zdanlivo neobmedzeným stláčaním hmoty. K tomu zastavuje samotný beh času vo sfére pôsobenia superobrích gravitačných síl a spútané masy hmoty sú akoby vypnuté z nášho Vesmíru, zamrznuté v podivnom letargickom sne.

Prvá z týchto „čiernych dier“ kozmu už bola pravdepodobne objavená. Podľa predpokladu sovietskych vedcov O.Kh.Huseynova a A.Sh.Novruzovej ide o deltu Blížencov - dvojhviezdu s jednou neviditeľnou zložkou.

Viditeľná zložka má hmotnosť 1,8 solar a jej neviditeľný „parťák“ by mal byť podľa výpočtov štyrikrát hmotnejší ako viditeľný. Ale nie sú po ňom žiadne stopy: nie je možné vidieť najúžasnejší výtvor prírody, „čiernu dieru“.

Sovietsky vedec profesor K.P. Stanyukovich, ako sa hovorí „na špičke pera“, prostredníctvom čisto teoretických konštrukcií ukázal, že častice „zamrznutej hmoty“ môžu byť veľmi rôznorodé.

• Jeho gigantické formácie sú možné, podobne ako kvazary, ktoré nepretržite vyžarujú toľko energie, koľko vyžaruje všetkých 100 miliárd hviezd našej Galaxie.
• Možné sú oveľa skromnejšie zhluky, ktoré sa rovnajú len niekoľkým solárnym hmotám. Tieto aj iné predmety môžu samy pochádzať z bežnej, nie „spiacej“ hmoty.
• A sú možné formácie úplne inej triedy, úmerné hmotnosti elementárnym časticiam.

Aby mohli vzniknúť, je potrebné hmotu, ktorá ich vytvára, najskôr podrobiť gigantickému tlaku a zahnať ju do Schwarzschildovej sféry – sféry, kde sa čas pre vonkajšieho pozorovateľa úplne zastaví. A aj keď sa potom tlak dokonca odstráni, častice, pre ktoré sa zastavil čas, budú naďalej existovať nezávisle od nášho vesmíru.

plankeony

Plankeóny sú veľmi špeciálnou triedou častíc. Majú podľa K.P. Stanyukoviča mimoriadne zaujímavú vlastnosť: nosia v sebe hmotu v nezmenenej forme, ako tomu bolo pred miliónmi a miliardami rokov. Pri pohľade do vnútra plankeónu sme mohli vidieť hmotu takú, aká bola v čase zrodu nášho vesmíru. Podľa teoretických výpočtov je vo vesmíre asi 1080 plankeónov, približne jeden plankeón v kocke priestoru so stranou 10 centimetrov. Mimochodom, v rovnakom čase ako Stanyukovič a (nezávisle od neho hypotézu plankeónov predložil akademik M.A. Markov. Iba Markov im dal iné meno - maximóny.

Špeciálne vlastnosti plankeónov možno využiť aj na vysvetlenie niekedy paradoxných premien elementárnych častíc. Je známe, že pri zrážke dvoch častíc sa nikdy nevytvoria fragmenty, ale vznikajú iné elementárne častice. To je skutočne úžasné: v bežnom svete, keď rozbijeme vázu, nikdy nezískame celé šálky alebo dokonca rozety. Predpokladajme však, že v hĺbke každej elementárnej častice je plankeón, jeden alebo niekoľko, a niekedy aj veľa plankeónov.

V momente zrážky častíc sa pevne zviazané „vrecko“ plankeónu mierne pootvorí, nejaké častice doň „spadnú“ a namiesto „vyskočia“ tie, ktoré považujeme za vzniknuté pri zrážke. Plankeon zároveň ako usilovný účtovník zabezpečí všetky „ochranárske zákony“ prijaté vo svete elementárnych častíc.
No a čo s tým má spoločné mechanizmus univerzálnej gravitácie?

„Zodpovedné“ za gravitáciu sú podľa hypotézy K. P. Stanyukoviča drobné častice, takzvané gravitóny, nepretržite emitované elementárnymi časticami. Gravitóny sú oveľa menšie ako tie druhé, ako je zrnko prachu tancujúce v slnečnom lúči menšie ako zemeguľa.

Žiarenie gravitónov sa riadi množstvom zákonitostí. Najmä ľahšie lietajú do tejto oblasti vesmíru. Ktorý obsahuje menej gravitónov. To znamená, že ak sú vo vesmíre dve nebeské telesá, obe budú vyžarovať gravitóny prevažne „von“ v opačných smeroch. Vznikne tak impulz, ktorý spôsobí, že sa telá k sebe približujú, priťahujú.

V tejto časti si povieme niečo o úžasnom Newtonovom dohade, ktorý viedol k objavu zákona univerzálnej gravitácie.
Prečo kameň uvoľnený z rúk padá na zem? Pretože ho priťahuje Zem, povie si každý z vás. V skutočnosti kameň padá na Zem zrýchlením voľného pádu. V dôsledku toho na kameň pôsobí sila smerujúca k Zemi zo strany Zeme. Podľa tretieho Newtonovho zákona kameň pôsobí aj na Zem rovnakým modulom sily smerujúcim ku kameňu. Inými slovami, medzi Zemou a kameňom pôsobia sily vzájomnej príťažlivosti.
Newtonov odhad
Newton bol prvý, kto uhádol a potom prísne dokázal, že príčina pádu kameňa na Zem, pohyb Mesiaca okolo Zeme a planét okolo Slnka, je jedna a tá istá. Toto je gravitačná sila pôsobiaca medzi akýmikoľvek telesami vesmíru. Tu je priebeh jeho úvah, uvedený v Newtonovom hlavnom diele „Matematické princípy prírodnej filozofie“: „Kameň hodený horizontálne sa odchýli
, \\
1
/ /
o
Ryža. 3.2
pod vplyvom gravitácie z priamej dráhy a po opísaní zakrivenej trajektórie nakoniec spadne na Zem. Ak ho hodíte väčšou rýchlosťou, ! potom bude padať ďalej“ (obr. 3.2). Pokračujúc v týchto úvahách, Newton \ prichádza k záveru, že ak by nebol odpor vzduchu, potom by dráha kameňa hodeného z vysokej hory pri určitej rýchlosti mohla byť taká, že by sa na povrch Zeme vôbec nedostal, ale pohyboval by sa okolo nej „rovnako ako planéty opisujú svoje dráhy v nebeskom priestore“.
Teraz sme si už natoľko zvykli na pohyb satelitov po Zemi, že netreba bližšie vysvetľovať Newtonovu myšlienku.
Pohyb Mesiaca okolo Zeme či planét okolo Slnka je teda podľa Newtona tiež voľným pádom, ale iba pádom, ktorý trvá bez zastavenia miliardy rokov. Dôvodom takéhoto „pádu“ (či už ide naozaj o pád obyčajného kameňa na Zem alebo o pohyb planét po ich dráhach) je sila univerzálnej gravitácie. Od čoho závisí táto sila?
Závislosť gravitačnej sily od hmotnosti telies
V § 1.23 sme hovorili o voľnom páde tiel. Spomínali sa Galileove experimenty, ktoré dokázali, že Zem komunikuje rovnaké zrýchlenie všetkým telesám na danom mieste bez ohľadu na ich hmotnosť. To je možné len vtedy, ak je sila príťažlivosti k Zemi priamo úmerná hmotnosti telesa. V tomto prípade je zrýchlenie voľného pádu, ktoré sa rovná pomeru gravitačnej sily k hmotnosti tela, konštantnou hodnotou.
Skutočne, v tomto prípade zvýšenie hmotnosti m napríklad o faktor dva povedie k zvýšeniu modulu sily F tiež o faktor dva a zrýchlenie
F
rénium, ktoré sa rovná pomeru -, zostane nezmenené.
Zovšeobecnením tohto záveru pre gravitačné sily medzi akýmikoľvek telesami sme dospeli k záveru, že sila univerzálnej gravitácie je priamo úmerná hmotnosti telesa, na ktoré táto sila pôsobí. Ale aspoň dve telá sa podieľajú na vzájomnej príťažlivosti. Každý z nich je podľa tretieho Newtonovho zákona vystavený rovnakému modulu gravitačných síl. Preto každá z týchto síl musí byť úmerná hmotnosti jedného telesa aj hmotnosti druhého telesa.
Preto je sila univerzálnej gravitácie medzi dvoma telesami priamo úmerná súčinu ich hmotností:
F - tu2. (3.2.1)
Čo ešte určuje gravitačnú silu pôsobiacu na dané teleso z iného telesa?
Závislosť gravitačnej sily od vzdialenosti medzi telesami
Dá sa predpokladať, že sila gravitácie by mala závisieť od vzdialenosti medzi telesami. Aby Newton otestoval správnosť tohto predpokladu a našiel závislosť gravitačnej sily od vzdialenosti medzi telesami, obrátil sa k pohybu družice Zeme – Mesiaca. Jeho pohyb bol v tých časoch študovaný oveľa presnejšie ako pohyb planét.
Revolúcia Mesiaca okolo Zeme nastáva pod vplyvom gravitačnej sily medzi nimi. Približne možno obežnú dráhu Mesiaca považovať za kruh. Preto Zem dodáva Mesiacu dostredivé zrýchlenie. Vypočítava sa podľa vzorca
l 2
a \u003d - Tg
kde B je polomer lunárnej obežnej dráhy, ktorý sa rovná približne 60 polomerom Zeme, T \u003d 27 dní 7 h 43 min \u003d 2,4 106 s je obdobie obehu Mesiaca okolo Zeme. Ak vezmeme do úvahy, že polomer Zeme R3 = 6,4 106 m, dostaneme, že dostredivé zrýchlenie Mesiaca sa rovná:
2 6 4k 60 ¦ 6,4 ¦ 10
M „ „„“. , o
a = 2 ~ 0,0027 m/s*.
(2,4 ¦ 106 s)
Zistená hodnota zrýchlenia je menšia ako zrýchlenie voľného pádu telies pri povrchu Zeme (9,8 m/s2) približne 3600 = 602 krát.
Zväčšenie vzdialenosti medzi telom a Zemou 60-krát teda viedlo k zníženiu zrýchlenia spôsobeného zemskou gravitáciou, a teda aj samotnej gravitačnej sily, 602-krát.
To vedie k dôležitému záveru: zrýchlenie udeľované telesám silou príťažlivosti k Zemi sa znižuje nepriamo úmerne k druhej mocnine vzdialenosti od stredu Zeme:
ci
a = -k, (3.2.2)
R
kde Cj je konštantný koeficient, rovnaký pre všetky telesá.
Keplerove zákony
Štúdium pohybu planét ukázalo, že tento pohyb je spôsobený gravitačnou silou smerom k Slnku. Pomocou starostlivých dlhodobých pozorovaní dánskeho astronóma Tycha Braheho, nemeckého vedca Johannesa Keplera na začiatku 17. storočia. ustanovil kinematické zákony pohybu planét – takzvané Keplerove zákony.
Keplerov prvý zákon
Všetky planéty sa pohybujú po elipsách so Slnkom v jednom z ohnísk.
Elipsa (obr. 3.3) je plochá uzavretá krivka, ktorej súčet vzdialeností od ktoréhokoľvek bodu k dvom pevným bodom, nazývaným ohniská, je konštantný. Tento súčet vzdialeností sa rovná dĺžke hlavnej osi AB elipsy, t.j.
FgP + F2P = 2b,
kde Fl a F2 sú ohniská elipsy a b = ^^ je jej hlavná poloos; O je stred elipsy. Bod dráhy najbližšie k Slnku sa nazýva perihélium a bod najvzdialenejší od neho sa nazýva p.

AT
Ryža. 3.4
"2
B A A afélium. Ak je Slnko v ohnisku Fr (pozri obr. 3.3), potom bod A je perihélium a bod B je afélium.
Druhý Keplerov zákon
Vektor polomeru planéty pre rovnaké časové intervaly opisuje rovnaké oblasti. Ak teda majú tienené sektory (obr. 3.4) rovnakú plochu, potom planéta prejde dráhy si> s2> s3 v rovnakých časových intervaloch. Z obrázku je zrejmé, že Sj > s2. V dôsledku toho nie je lineárna rýchlosť planéty v rôznych bodoch jej obežnej dráhy rovnaká. V perihéliu je rýchlosť planéty najväčšia, v aféliu najmenšia.
Tretí Keplerov zákon
Štvorce obežných dôb planét okolo Slnka súvisia ako kocky hlavných polosí ich obežných dráh. Tretí Keplerov zákon, ktorý označuje hlavnú poloos obežnej dráhy a periódu otáčania jednej z planét cez bx a Tv a druhú - cez b2 a T2, možno napísať takto:

Z tohto vzorca možno vidieť, že čím ďalej je planéta od Slnka, tým dlhšia je jej doba obehu okolo Slnka.
Na základe Keplerovych zákonov možno vyvodiť určité závery o zrýchleniach, ktoré planétam udeľuje Slnko. Pre jednoduchosť budeme predpokladať, že obežné dráhy nie sú eliptické, ale kruhové. Pre planéty slnečnej sústavy toto nahradenie nie je veľmi hrubým priblížením.
Potom by sila príťažlivosti zo strany Slnka v tejto aproximácii mala smerovať pre všetky planéty do stredu Slnka.
Ak pomocou T označujeme periódy otáčania planét a pomocou R polomery ich obežných dráh, potom podľa tretieho Keplerovho zákona môžeme pre dve planéty písať
t\L? T2 R2
Normálne zrýchlenie pri pohybe po kružnici a = co2R. Preto je pomer zrýchlení planét
Q-i GlD.
7G=-2~- (3-2-5)
2t:r0
Pomocou rovnice (3.2.4) dostaneme
T2
Keďže tretí Keplerov zákon platí pre všetky planéty, zrýchlenie každej planéty je nepriamo úmerné druhej mocnine jej vzdialenosti od Slnka:
Oh, oh
a = -|. (3.2.6)
WT
Konštanta C2 je rovnaká pre všetky planéty, ale nezhoduje sa s konštantou C2 vo vzorci pre zrýchlenie, ktoré telesám dáva zemeguľa.
Výrazy (3.2.2) a (3.2.6) ukazujú, že gravitačná sila v oboch prípadoch (príťažlivosť k Zemi a príťažlivosť k Slnku) udeľuje všetkým telesám zrýchlenie, ktoré nezávisí od ich hmotnosti a klesá nepriamo so štvorcom vzdialenosť medzi nimi:
F~a~-2. (3.2.7)
R
Zákon gravitácie
Existencia závislostí (3.2.1) a (3.2.7) znamená, že sila univerzálnej gravitácie 12
TP.L Sh
F~
R2? ТТТ-i ТПп
F=G
V roku 1667 Newton konečne sformuloval zákon univerzálnej gravitácie:
(3.2.8) R
Sila vzájomnej príťažlivosti dvoch telies je priamo úmerná súčinu hmotností týchto telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. Faktor úmernosti G sa nazýva gravitačná konštanta.
Interakcia bodových a rozšírených telies
Zákon univerzálnej gravitácie (3.2.8) platí len pre také telesá, ktorých rozmery sú v porovnaní so vzdialenosťou medzi nimi zanedbateľné. Inými slovami, platí len pre vecné body. V tomto prípade sú sily gravitačnej interakcie smerované pozdĺž čiary spájajúcej tieto body (obr. 3.5). Takéto sily sa nazývajú centrálne.
Pri zistení gravitačnej sily pôsobiacej na dané teleso od iného v prípade, že nemožno zanedbať veľkosť telies, postupujte nasledovne. Obe telá sú mentálne rozdelené na také malé prvky, že každý z nich možno považovať za bod. Sčítaním gravitačných síl pôsobiacich na každý prvok daného telesa zo všetkých prvkov iného telesa dostaneme silu pôsobiacu na tento prvok (obr. 3.6). Po vykonaní takejto operácie pre každý prvok daného telesa a sčítaní výsledných síl nájdu celkovú gravitačnú silu pôsobiacu na toto teleso. Táto úloha je náročná.
Existuje však jeden prakticky dôležitý prípad, keď sa vzorec (3.2.8) vzťahuje na predĺžené telesá. Je možné dokázať
m^
Obr. 3.5 Obr. 3.6
Dá sa konštatovať, že guľové telesá, ktorých hustota závisí len od vzdialeností ich stredov, vo vzdialenostiach medzi nimi väčších ako súčet ich polomerov, sú priťahované silami, ktorých moduly sú určené vzorcom (3.2.8) . V tomto prípade je R vzdialenosť medzi stredmi guľôčok.
A napokon, keďže rozmery telies padajúcich na Zem sú oveľa menšie ako rozmery Zeme, možno tieto telesá považovať za bodové. Potom pod R vo vzorci (3.2.8) treba chápať vzdialenosť od daného telesa k stredu Zeme.
Medzi všetkými telesami existujú sily vzájomnej príťažlivosti v závislosti od samotných telies (ich hmotnosti) a od vzdialenosti medzi nimi.
? 1. Vzdialenosť od Marsu k Slnku je o 52 % väčšia ako vzdialenosť od Zeme k Slnku. Aká je dĺžka roka na Marse? 2. Ako sa zmení sila príťažlivosti medzi guľôčkami, ak sa hliníkové guľôčky (obr. 3.7) nahradia oceľovými guľôčkami rovnakej hmotnosti? rovnaký objem?

Absolútne všetky hmotné telesá, ktoré sa nachádzajú priamo na Zemi a existujú vo vesmíre, sa neustále priťahujú. Skutočnosť, že túto interakciu nie je v žiadnom prípade vždy možné vidieť alebo cítiť, len naznačuje, že táto príťažlivosť je v týchto špecifických prípadoch relatívne slabá.

Vzájomné pôsobenie medzi hmotnými telesami, ktoré spočíva v ich neustálom vzájomnom úsilí, sa podľa základných fyzikálnych pojmov nazýva gravitácia, zatiaľ čo samotný jav príťažlivosti sa nazýva gravitácia.

Fenomén gravitácie je možný, pretože okolo absolútne akéhokoľvek hmotného tela (vrátane okolo človeka) existuje gravitačné pole. Toto pole je zvláštny druh hmoty, pred pôsobením ktorej sa nedá nič ochrániť a pomocou ktorej jedno teleso pôsobí na druhé a spôsobuje zrýchlenie smerom k stredu zdroja tohto poľa. Slúžil ako základ pre univerzálnu gravitáciu, ktorú v roku 1682 sformuloval anglický prírodovedec a filozof I.

Základným pojmom tohto zákona je gravitačná sila, ktorá, ako už bolo spomenuté vyššie, nie je ničím iným ako výsledkom pôsobenia gravitačného poľa na konkrétne hmotné teleso. spočíva v tom, že sila, ktorou dochádza k vzájomnej príťažlivosti telies na Zemi aj vo vesmíre, priamo závisí od súčinu hmotnosti týchto telies a je nepriamo úmerná vzdialenosti oddeľujúcej tieto objekty.

Gravitačná sila, ktorej definíciu dal sám Newton, teda závisí len od dvoch hlavných faktorov – od hmotnosti interagujúcich telies a vzdialenosti medzi nimi.

Potvrdenie, že tento jav závisí od hmotnosti hmoty, možno nájsť štúdiom interakcie Zeme s telesami, ktoré ju obklopujú. Čoskoro po Newtonovi ďalší slávny vedec, Galileo, presvedčivo ukázal, že pri , naša planéta dáva všetkým telesám presne rovnaké zrýchlenie. To je možné iba vtedy, ak teleso k Zemi priamo závisí od hmotnosti tohto telesa. Koniec koncov, v tomto prípade s niekoľkonásobným nárastom hmotnosti sa sila pôsobiacej gravitácie zvýši presne toľkokrát, zatiaľ čo zrýchlenie zostane nezmenené.

Ak budeme pokračovať v tejto myšlienke a zvážime interakciu akýchkoľvek dvoch telies na povrchu „modrej planéty“, potom môžeme dospieť k záveru, že na každé z nich pôsobí rovnaká sila z našej „matky Zeme“. Zároveň, spoliehajúc sa na slávny zákon formulovaný tým istým Newtonom, môžeme s istotou povedať, že veľkosť tejto sily bude priamo závisieť od hmotnosti telesa, takže gravitačná sila medzi týmito telesami je priamo závislá od produktu. ich masy.

Aby Newton dokázal, že to závisí od veľkosti medzery medzi telesami, musel zapojiť Mesiac ako „spojenca“. Už dlho sa zistilo, že zrýchlenie, s ktorým telesá padajú na Zem, sa rovná približne 9,8 m / s ^ 2, ale Mesiac vo vzťahu k našej planéte sa v dôsledku série experimentov ukázal ako iba 0,0027. m/s ^ 2.

Gravitačná sila je teda najdôležitejšou fyzikálnou veličinou, ktorá vysvetľuje mnohé procesy prebiehajúce na našej planéte aj v okolitom vesmíre.

Gravitačná sila

Newton objavil zákony pohybu telies. Podľa týchto zákonov je pohyb so zrýchlením možný len pri pôsobení sily. Keďže sa padajúce telesá pohybujú so zrýchlením, musia byť vystavené sile smerujúcej nadol k Zemi. Je to len Zem, ktorá má tú vlastnosť, že k sebe priťahuje telesá, ktoré sú blízko jej povrchu? V roku 1667 Newton navrhol, že vo všeobecnosti medzi všetkými telesami pôsobia sily vzájomnej príťažlivosti. Tieto sily nazval silami univerzálnej gravitácie.

Prečo si nevšímame vzájomnú príťažlivosť medzi telami okolo nás? Možno je to spôsobené tým, že sily príťažlivosti medzi nimi sú príliš malé?

Newtonovi sa podarilo ukázať, že sila príťažlivosti medzi telesami závisí od hmotnosti oboch telies a ako sa ukázalo, dosahuje výraznú hodnotu len vtedy, keď majú interagujúce telesá (alebo aspoň jedno z nich) dostatočne veľkú hmotnosť.

"DIERY" V PRIESTORE A ČASE

Čierne diery sú produktom gigantických gravitačných síl. Vznikajú vtedy, keď pri silnom stláčaní veľkej hmoty hmoty zosilnie jej zväčšujúce sa gravitačné pole natoľko, že neprepustí ani svetlo, z čiernej diery nemôže vyjsť vôbec nič. Môžete do nej spadnúť iba pod vplyvom obrovských gravitačných síl, no niet cesty von. Moderná veda odhalila spojenie času s fyzikálnymi procesmi, ktoré sú povolané „sondovať“ prvé články reťazca času v minulosti a sledovať jeho vlastnosti v ďalekej budúcnosti.

Úloha masy priťahovania tiel

Zrýchlenie voľného pádu sa vyznačuje zvláštnosťou, že je na danom mieste rovnaké pre všetky telesá, pre telesá akejkoľvek hmotnosti. Ako vysvetliť túto zvláštnu vlastnosť?

Jediné vysvetlenie, ktoré možno nájsť pre skutočnosť, že zrýchlenie nezávisí od hmotnosti telesa, je, že sila F, ktorou Zem priťahuje teleso, je úmerná jeho hmotnosti m.

V tomto prípade totiž zvýšenie hmotnosti m napríklad o faktor dva povedie k zvýšeniu modulu sily F tiež o faktor dva, zatiaľ čo zrýchlenie, ktoré sa rovná pomeru F /m, zostanú nezmenené. Newton urobil tento jediný správny záver: sila univerzálnej gravitácie je úmerná hmotnosti tela, na ktoré pôsobí.

Ale koniec koncov, telá sa navzájom priťahujú a sily interakcie sú vždy rovnakej povahy. V dôsledku toho je sila, ktorou telo priťahuje Zem, úmerná hmotnosti Zeme. Podľa tretieho Newtonovho zákona sú tieto sily v absolútnej hodnote rovnaké. Ak je teda jedna z nich úmerná hmotnosti Zeme, potom druhá sila, ktorá sa jej rovná, je tiež úmerná hmotnosti Zeme. Z toho vyplýva, že sila vzájomnej príťažlivosti je úmerná hmotnostiam oboch interagujúcich telies. A to znamená, že je úmerné súčinu hmotností oboch telies.

PREČO GRAVITÁCIA VO VESMÍRE NIE JE ROVNAKÁ AKO NA ZEMI?

Každý objekt vo vesmíre pôsobí na iný objekt, navzájom sa priťahujú. Príťažlivá sila alebo gravitácia závisí od dvoch faktorov.

Po prvé, záleží na tom, koľko látky predmet, telo, predmet obsahuje. Čím väčšia je hmotnosť hmoty tela, tým silnejšia je gravitácia. Ak má teleso veľmi malú hmotnosť, jeho gravitácia je malá. Napríklad hmotnosť Zeme je mnohonásobne väčšia ako hmotnosť Mesiaca, takže Zem má väčšiu gravitačnú silu ako Mesiac.

Po druhé, gravitačná sila závisí od vzdialenosti medzi telesami. Čím bližšie sú telesá k sebe, tým väčšia je sila príťažlivosti. Čím sú od seba ďalej, tým je gravitácia menšia.