V naravi obstajajo različne sile, ki so značilne za interakcijo teles. Razmislite o tistih silah, ki se pojavljajo v mehaniki.

gravitacijske sile. Verjetno je bila prva sila, katere obstoj je spoznal človek, sila privlačnosti, ki deluje na telesa s strani Zemlje.

In trajalo je veliko stoletij, da so ljudje razumeli, da sila gravitacije deluje med vsemi telesi. In trajalo je veliko stoletij, da so ljudje razumeli, da sila gravitacije deluje med vsemi telesi. To dejstvo je prvi razumel angleški fizik Newton. Z analizo zakonov, ki vladajo gibanju planetov (Keplerjevih zakonov), je prišel do zaključka, da so opazovani zakoni gibanja planetov lahko izpolnjeni le, če med njimi obstaja privlačna sila, ki je premo sorazmerna z njihovimi masami in obratno sorazmerna z njihovimi masami. kvadrat razdalje med njima.

Newton formuliral zakon gravitacije. Katerikoli dve telesi se privlačita. Privlačna sila med točkastimi telesi je usmerjena vzdolž ravne črte, ki ju povezuje, je premo sorazmerna z masama obeh in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima:

Pod točkastimi telesi v tem primeru razumemo telesa, katerih dimenzije so mnogokrat manjše od razdalje med njimi.

Sile težnosti imenujemo gravitacijske sile. Proporcionalni koeficient G imenujemo gravitacijska konstanta. Njegova vrednost je bila določena eksperimentalno: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².

gravitacija ki deluje blizu površine Zemlje, je usmerjena proti njenemu središču in se izračuna po formuli:

kjer je g pospešek prostega pada (g = 9,8 m/s²).

Vloga gravitacije v živi naravi je zelo pomembna, saj so od njene velikosti v veliki meri odvisne velikost, oblika in razmerja živih bitij.

Telesna teža. Razmislite, kaj se zgodi, ko je breme postavljeno na vodoravno ravnino (podpora). V prvem trenutku po spuščanju se breme pod vplivom gravitacije začne premikati navzdol (slika 8).

Ravnina se upogne in nastane elastična sila (reakcija opore), usmerjena navzgor. Ko prožna sila (Fy) uravnoteži silo težnosti, se spuščanje telesa in odklon opore ustavita.

Odklon opore je nastal pod vplivom telesa, zato na oporo s strani telesa deluje določena sila (P), ki se imenuje teža telesa (slika 8, b). Po tretjem Newtonovem zakonu je teža telesa po velikosti enaka reakcijski sili opore in je usmerjena v nasprotno smer.

P \u003d - Fu \u003d F težka.

telesna teža imenujemo sila P, s katero telo deluje na vodoravno oporo, ki glede nanj miruje.

Ker na oporo deluje gravitacija (teža), se le-ta deformira in zaradi elastičnosti nasprotuje gravitacijski sili. Sile, ki se v tem primeru razvijejo s strani podpore, imenujemo sile reakcije podpore, sam pojav razvoja nasprotja pa imenujemo reakcija podpore. Po tretjem Newtonovem zakonu je sila reakcije opore po velikosti enaka gravitacijski sili telesa in nasprotni smeri.

Če se oseba na opori giblje s pospeškom členkov svojega telesa, usmerjenim stran od opore, se reakcijska sila opore poveča za vrednost ma, kjer je m masa osebe, in so pospeški, s katerimi členki njegovega telesa se premikajo. Te dinamične učinke je mogoče zabeležiti z napravami za merjenje napetosti (dinamogrami).

Teže ne smemo zamenjevati s telesno maso. Masa telesa označuje njegove vztrajnostne lastnosti in ni odvisna niti od gravitacijske sile niti od pospeška, s katerim se premika.

Teža telesa označuje silo, s katero telo deluje na oporo in je odvisna tako od sile gravitacije kot od pospeška gibanja.

Na primer na Luni je teža telesa približno 6-krat manjša od teže telesa na Zemlji.Masa je v obeh primerih enaka in je določena s količino snovi v telesu.

V vsakdanjem življenju, tehnologiji, športu teža pogosto ni navedena v newtonih (N), temveč v kilogramih sile (kgf). Prehod iz ene enote v drugo se izvede po formuli: 1 kgf = 9,8 N.

Ko sta opora in telo nepremična, je masa telesa enaka sili teže tega telesa. Ko se opora in telo premikata z določenim pospeškom, lahko telo, odvisno od svoje smeri, doživi breztežnost ali preobremenitev. Ko pospešek sovpada v smeri in je enak gravitacijskemu pospešku, bo teža telesa enaka nič, zato nastopi stanje breztežnosti (ISS, hitro dvigalo pri spuščanju). Ko je pospešek gibanja opore nasproten pospešku prostega pada, oseba doživi preobremenitev (začetek s površine Zemlje vesoljskega plovila s posadko, hitrega dvigala, ki se dviga).

Ne le najbolj skrivnosten sile narave ampak tudi najmočnejši.

Človek na poti napredka

Zgodovinsko gledano je bilo človek ko se premikate naprej poti napredka obvladovali vse močnejše sile narave. Začel je, ko ni imel drugega kot palico v pesti in lastno fizično moč.

Toda bil je moder in je v službo prinesel fizično moč živali ter jih naredil za domače. Konj je pospešil svoj tek, kamela je naredila prehodno puščavo, slon močvirno džunglo. Toda fizične sile tudi najmočnejših živali so v primerjavi z naravnimi silami neizmerno majhne.

Prva oseba si je podredila element ognja, vendar le v njegovih najbolj oslabljenih različicah. Sprva - dolga stoletja - je kot gorivo uporabljal le les - energijsko zelo nizko intenzivno gorivo. Nekoliko kasneje se je naučil uporabljati vetrno energijo iz tega vira energije, človek je dvignil belo krilo jadra v zrak - in lahka ladja je poletela kot ptica nad valovi.

Jadrnica na valovih

Rezila mlina na veter je izpostavil sunkom vetra – in težki kamni mlinskih kamnov so se zavrteli, pesti drobovja so zarožljali. Vsem pa je jasno, da energija zračnih curkov še zdaleč ni koncentrirana. Poleg tega sta se tako jadro kot mlin na veter bala vetrovnih udarcev: vihar je trgal jadra in potapljal ladje, vihar je lomil krila in prevračal mline.

Še kasneje je človek začel osvajati tekoče vode. Kolo ni le najbolj primitivna naprava, ki lahko pretvori energijo vode v rotacijsko gibanje, ampak tudi najbolj podhranjena v primerjavi z različnimi.

Človek je napredoval po lestvici napredka in je potreboval vedno več energije.
Začel je uporabljati nove vrste goriva - že prehod na kurjenje s premogom je povečal energijsko intenzivnost kilograma goriva z 2500 kcal na 7000 kcal - skoraj trikrat. Potem je prišel čas za nafto in plin. Spet se je energetska vsebnost vsakega kilograma fosilnega goriva povečala za eninpol do dvakrat.

Parne stroje so zamenjale parne turbine; mlinska kolesa so zamenjale hidravlične turbine. Nato je moški iztegnil roko do cepljivega atoma urana. Toda prva uporaba nove vrste energije je imela tragične posledice – jedrski plamen v Hirošimi leta 1945 je v nekaj minutah upepelil 70 tisoč človeških src.

Leta 1954 je začela delovati prva sovjetska jedrska elektrarna na svetu, ki je moč urana spremenila v sevalno moč električnega toka. In treba je vedeti, da kilogram urana vsebuje dva milijonkrat več energije kot kilogram najboljše nafte.

Šlo je za popolnoma nov ogenj, ki bi ga lahko imenovali fizični, saj so prav fiziki preučevali procese, ki vodijo do rojstva tako bajnih količin energije.
Uran ni edino jedrsko gorivo. Uporablja se že močnejša vrsta goriva - vodikovi izotopi.

Na žalost človeku še ni uspelo ukrotiti vodikovo-helijevega jedrskega plamena. Ve, kako v hipu zanetiti svoj vsesplošni ogenj, pri čemer zažge reakcijo v vodikovi bombi z bliskom eksplozije urana. Toda bližje in bližje znanstveniki vidijo vodikov reaktor, ki bo ustvaril električni tok kot rezultat fuzije jeder vodikovih izotopov v jedra helija.

Spet se bo količina energije, ki jo lahko človek vzame iz vsakega kilograma goriva, skoraj desetkrat povečala. Toda ali bo ta korak zadnji v prihajajoči zgodovini človekove oblasti nad silami narave?

ne! Pred nami - obvladovanje gravitacijske oblike energije. Narava jo zapakira celo bolj preudarno kot celo energijo fuzije vodika in helija. Danes je to najbolj koncentrirana oblika energije, o kateri človek sploh lahko sluti.

Tam se še ne vidi nič več, onkraj vrhunske znanosti. In čeprav lahko z gotovostjo trdimo, da bodo elektrarne delovale za človeka, predelale gravitacijsko energijo v električni tok (ali morda v tok plina, ki leti iz šobe reaktivnega motorja, ali v načrtovano preoblikovanje vseprisotnih atomov silicija in kisika) v atome ultraredkih kovin), o podrobnostih takšne elektrarne (raketni motor, fizikalni reaktor) še ne moremo povedati ničesar.

Sila univerzalne gravitacije v izvorih rojstva galaksij

Sila univerzalne gravitacije je v izvoru rojstva galaksij iz predzvezdne snovi, kot je prepričan akademik V. A. Ambarcumjan. Prav tako ugasne zvezde, ki so pregorele svoj čas, saj so porabile zvezdno gorivo, ki jim je bilo dodeljeno ob rojstvu.

Da, poglejte okoli: vse na Zemlji v veliki meri nadzoruje ta sila.

Ona je tista, ki določa večplastno strukturo našega planeta - menjavo litosfere, hidrosfere in atmosfere. Ona je tista, ki hrani debelo plast zračnih plinov, na dnu katere in zahvaljujoč kateri vsi obstajamo.

Če ne bi bilo gravitacije, bi Zemlja takoj izstopila iz svoje orbite okoli Sonca, sama zemeljska obla pa bi razpadla, raztrgala bi jo centrifugalne sile. Težko je najti nekaj, kar ne bi bilo tako ali drugače odvisno od sile univerzalne gravitacije.

Seveda starodavni filozofi, zelo pozorni ljudje, niso mogli spregledati, da se kamen, vržen navzgor, vedno vrne. Platon je v 4. stoletju pred našim štetjem to pojasnil z dejstvom, da vse snovi vesolja težijo tja, kjer je skoncentrirana večina podobnih snovi: vržen kamen pade na tla ali gre na dno, razlita voda pronica v najbližji ribnik oz. v reko, ki teče v morje, se ognjeni dim požene v sorodne oblake.

Platonov učenec Aristotel je pojasnil, da imajo vsa telesa posebne lastnosti teže in lahkosti. Težka telesa - kamni, kovine - hitijo v središče vesolja, lahka - ogenj, dim, hlapi - na obrobje. Ta hipoteza, ki pojasnjuje nekatere pojave, povezane s silo univerzalne gravitacije, obstaja že več kot 2 tisoč let.

Znanstveniki o sili gravitacije

Verjetno prvi, ki je postavil vprašanje sila gravitacije res znanstvenega, je bil genij renesanse - Leonardo da Vinci. Leonardo je razglasil, da gravitacija ni značilna samo za Zemljo, da obstaja veliko težišč. Predlagal je tudi, da je sila gravitacije odvisna od razdalje do težišča.

Dela Kopernika, Galileja, Keplerja, Roberta Hooka so vse bolj približevala idejo zakona univerzalne gravitacije, vendar je ta zakon v svoji končni formulaciji za vedno povezan z imenom Isaaca Newtona.

Isaac Newton o sili gravitacije

Rojen 4. januarja 1643. Diplomiral je na Univerzi v Cambridgeu, postal diplomant, nato - magister znanosti.

Isaac Newton

Vse, kar sledi, je neskončno bogastvo znanstvenih del. Toda njegovo glavno delo so "Matematična načela naravne filozofije", objavljena leta 1687 in običajno imenovana preprosto "Začetki". V njih je formulirano veliko. Verjetno se ga vsi spomnijo še iz srednje šole.

Vsa telesa se med seboj privlačijo s silo, ki je premo sorazmerna zmnožku mas teh teles in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njimi ...

Nekatere določbe te formulacije so lahko predvideli že Newtonovi predhodniki, vendar še nikomur ni bila dana v celoti. Newtonov genij je bil potreben za sestavljanje teh drobcev v eno celoto, da bi razširili privlačnost Zemlje na Luno in Sonca - na celoten planetarni sistem.

Iz zakona univerzalne gravitacije je Newton izpeljal vse zakone gibanja planetov, ki jih je pred tem odkril Kepler. Bile so preprosto njegove posledice. Poleg tega je Newton pokazal, da so ne le Keplerjevi zakoni, ampak tudi odstopanja od teh zakonov (v svetu treh ali več teles) posledica univerzalne gravitacije ... To je bil velik triumf znanosti.

Zdelo se je, da je končno odkrita in matematično opisana glavna sila narave, ki premika svetove, sila, ki so ji podvržene molekule zraka, jabolk in Sonca. Velikanski, neizmerno ogromen je bil Newtonov korak.

Prvi popularizator dela briljantnega znanstvenika, francoski pisatelj Francois Marie Arouet, svetovno znan pod psevdonimom Voltaire, je dejal, da je Newton nenadoma uganil obstoj zakona, poimenovanega po njem, ko je pogledal padajoče jabolko.

Sam Newton tega jabolka ni nikoli omenil. In danes ni vredno zapravljati časa za ovržbo te čudovite legende. In očitno je Newton prišel do razumevanja velike moči narave z logičnim razmišljanjem. Verjetno je bilo vključeno v ustrezno poglavje "Začetkov".

Sila težnosti vpliva na let jedra

Predpostavimo, da smo na zelo visoki gori, tako visoki, da je njen vrh že zunaj ozračja, postavili velikansko topniško orožje. Njena cev je bila postavljena strogo vzporedno s površino sveta in sprožena. Opisovanje loka jedro pade na tla.

Povečamo naboj, izboljšamo kvaliteto smodnika, tako ali drugače dosežemo, da se jedro po naslednjem strelu premika z večjo hitrostjo. Lok, ki ga opisuje jedro, postane bolj raven. Jedro pada precej dlje od vznožja naše gore.

Povečamo tudi naboj in streljamo. Jedro leti po tako blagi poti, da se spušča vzporedno s površjem sveta. Jedro ne more več pasti na Zemljo: z enako hitrostjo, s katero pade, Zemlja uide izpod njega. In po opisu obroča okoli našega planeta se jedro vrne na izhodiščno točko.

Medtem lahko pištolo odstranite. Navsezadnje bo let jedra okoli sveta trajal več kot eno uro. In potem bo jedro hitro preletelo vrh gore in šlo v nov krog okoli Zemlje. Padec, če, kot smo se dogovorili, jedro ne doživi nobenega zračnega upora, ga nikoli ne bo moglo.

Hitrost jedra za to bi morala biti blizu 8 km/s. In če povečate hitrost letenja jedra? Najprej bo poletela v loku, bolj blagem od ukrivljenosti zemeljskega površja, in se začela oddaljevati od Zemlje. Hkrati se bo njegova hitrost pod vplivom zemeljske gravitacije zmanjšala.

In končno, ko se obrne, bo začel tako rekoč padati nazaj na Zemljo, vendar bo letel mimo nje in ne bo več sklenil kroga, ampak elipso. Jedro se bo okoli Zemlje gibalo na popolnoma enak način, kot se Zemlja giblje okoli Sonca, in sicer po elipsi, v enem od žarišč katere bo središče našega planeta.

Če še povečamo začetno hitrost jedra, se bo elipsa izkazala za bolj raztegnjeno. To elipso je mogoče raztegniti tako, da bo jedro doseglo Lunino orbito ali celo veliko dlje. Toda dokler začetna hitrost tega jedra ne preseže 11,2 km/s, bo ostal satelit Zemlje.

Jedro, ki je ob izstrelitvi doseglo hitrost nad 11,2 km / s, bo za vedno odletelo od Zemlje po parabolični poti. Če je elipsa zaprta krivulja, potem je parabola krivulja, ki ima dve veji, ki gresta v neskončnost. Ko se premikamo po elipsi, ne glede na to, kako podolgovata je, se neizogibno sistematično vračamo na izhodišče. Ko se gibljemo po paraboli, se ne bomo nikoli vrnili na začetno točko.

Toda, ko je Zemljo zapustilo s to hitrostjo, jedro še ne bo moglo leteti v neskončnost. Močna gravitacija Sonca bo zakrivila tirnico njegovega leta, se zaprla okrog sebe kot tirnica planeta. Jedro bo postalo Zemljina sestra, majhen planet v naši družini planetov.

Da bi usmerili jedro izven planetarnega sistema, da bi premagali sončno privlačnost, mu je treba povedati hitrost večjo od 16,7 km / s in ga usmeriti tako, da se tej hitrosti doda hitrost lastnega gibanja Zemlje. .

Hitrost okoli 8 km/s (ta hitrost je odvisna od višine gore, s katere naša puška strelja) se imenuje krožna hitrost, hitrosti od 8 do 11,2 km/s so eliptične, od 11,2 do 16,7 km/s so parabolične, in nad to številko - osvobajajoče hitrosti.

Tukaj je treba dodati, da podane vrednosti teh hitrosti veljajo le za Zemljo. Če bi živeli na Marsu, bi krožno hitrost dosegli veliko lažje – tam znaša le okoli 3,6 km/s, parabolična hitrost pa le malo več kot 5 km/s.

Po drugi strani pa bi bilo jedro veliko težje poslati na vesoljski polet z Jupitra kot z Zemlje: krožna hitrost na tem planetu je 42,2 km/s, parabolična pa celo 61,8 km/s!

Najtežje bi svoj svet zapustili prebivalci Sonca (če bi ta seveda lahko obstajal). Krožna hitrost tega velikana bi morala biti 437,6, hitrost ločevanja pa 618,8 km / s!

Torej Newton ob koncu 17. stoletja, sto let pred prvim poletom toplozračnega balona, ​​napolnjenega s toplim zrakom bratov Montgolfier, dvesto let pred prvimi poleti letala bratov Wright in skoraj četrtino tisočletja pred vzletom prvih raket na tekoče tekočino, satelitom in vesoljskim ladjam nakazal pot v nebo.

Sila gravitacije je lastna vsaki krogli

Z uporabo zakon gravitacije odkriti so bili neznani planeti, nastale so kozmogonične hipoteze o nastanku sončnega sistema. Glavna sila narave, ki nadzoruje zvezde, planete, jabolka na vrtu in molekule plina v ozračju, je bila odkrita in matematično opisana.

Ne poznamo pa mehanizma univerzalne gravitacije. Newtonova gravitacija ne pojasnjuje, ampak vizualno predstavlja trenutno stanje planetarnega gibanja.

Ne vemo, kaj povzroča interakcijo vseh teles vesolja. In ni mogoče reči, da Newtona ta razlog ni zanimal. Dolga leta je razmišljal o njegovem možnem mehanizmu.

Mimogrede, to je res izjemno skrivnostna moč. Sila, ki se manifestira skozi stotine milijonov kilometrov prostora, na prvi pogled brez materialnih tvorb, s pomočjo katerih bi lahko razložili prenos interakcije.

Newtonove hipoteze

in Newton zatekli k hipoteza o obstoju nekega etra, ki naj bi zapolnjeval celotno vesolje. Leta 1675 je razložil privlačnost Zemlje z dejstvom, da eter, ki napolnjuje celotno vesolje, hiti v središče Zemlje v neprekinjenih tokovih, zajame vse predmete v tem gibanju in ustvarja gravitacijsko silo. Enak tok etra hiti proti Soncu in s seboj vleče planete, komete, zagotavlja njihove eliptične trajektorije ...

To ni bila zelo prepričljiva, čeprav absolutno matematično logična hipoteza. Toda zdaj, leta 1679, je Newton ustvaril novo hipotezo, ki pojasnjuje mehanizem gravitacije. Tokrat je etru podelil lastnost, da ima različno koncentracijo v bližini planetov in daleč od njih. Dlje ko je od središča planeta, domnevno gostejši je eter. In ima to lastnost, da vsa materialna telesa iz njihovih gostejših plasti iztisne v manj goste. In vsa telesa so iztisnjena na površje Zemlje.

Leta 1706 je Newton ostro zanikal sam obstoj etra. Leta 1717 se ponovno vrne k hipotezi o iztisnitvi etra.

Genialni Newtonovi možgani so se borili za rešitev velike skrivnosti in je niso našli. To pojasnjuje tako ostro metanje z ene strani na drugo. Newton je rekel:

Ne postavljam hipotez.

In čeprav, kot smo lahko le preverili, to ne drži povsem, lahko vsekakor trdimo nekaj drugega: Newton je znal jasno ločiti stvari, ki so nesporne, od nestalnih in kontroverznih hipotez. In v Elementih je formula velikega zakona, vendar ni nobenega poskusa razlage njegovega mehanizma.
Veliki fizik je to uganko zapustil človeku prihodnosti. Umrl je leta 1727.
Še danes ni rešeno.

Razprava o fizičnem bistvu Newtonovega zakona je trajala dve stoletji. In morda ta razprava ne bi zadevala samega bistva zakona, če bi natančno odgovoril na vsa vprašanja, ki so mu bila zastavljena.

A dejstvo je, da se je sčasoma izkazalo, da ta zakon ni univerzalen. Da so primeri, ko ne zna razložiti tega ali onega pojava. Navedimo primere.

Sila gravitacije v Seeligerjevih izračunih

Prvi med njimi je Seeligerjev paradoks. Glede na to, da je Vesolje neskončno in enakomerno napolnjeno s snovjo, je Seeliger skušal po Newtonovem zakonu izračunati univerzalno gravitacijsko silo, ki jo ustvarja celotna neskončno velika masa neskončnega Vesolja na neki točki v njem.

Z vidika čiste matematike to ni bila lahka naloga. Ko je Seeliger premagal vse težave najzapletenejših transformacij, je ugotovil, da je želena sila univerzalne gravitacije sorazmerna s polmerom vesolja. In ker je ta polmer enak neskončnosti, mora biti gravitacijska sila neskončno velika. Vendar tega v praksi ne vidimo. To pomeni, da zakon univerzalne gravitacije ne velja za celotno vesolje.

Možne pa so tudi druge razlage paradoksa. Lahko na primer domnevamo, da snov ne zapolnjuje enakomerno celotnega vesolja, temveč se njena gostota postopoma zmanjšuje in na koncu nekje zelo daleč materije sploh ni. Toda predstavljati si takšno sliko pomeni dopustiti možnost obstoja prostora brez materije, kar je na splošno absurdno.

Predpostavimo lahko, da sila gravitacije slabi hitreje, kot se povečuje kvadrat razdalje. Toda to vzbuja dvom o presenetljivi harmoniji Newtonovega zakona. Ne, in ta razlaga ni zadovoljila znanstvenikov. Paradoks je ostal paradoks.

Opazovanja gibanja Merkurja

Prineslo je še eno dejstvo, delovanje sile univerzalne gravitacije, ki ni pojasnjeno z Newtonovim zakonom opazovanje gibanja Merkurja- najbližje planetu. Natančni izračuni po Newtonovem zakonu so pokazali, da bi se moral perehelij – točka elipse, po kateri se Merkur giblje najbližje Soncu – v 100 letih premakniti za 531 kotnih sekund.

In astronomi so ugotovili, da je ta premik enak 573 ločnim sekundam. Tudi tega presežka - 42 ločnih sekund - znanstveniki niso mogli razložiti z uporabo samo formul, ki izhajajo iz Newtonovega zakona.

Pojasnil je tako Seeligerjev paradoks kot premik Merkurjevega perhelija in mnoge druge paradoksalne pojave in nerazložljiva dejstva. Albert Einstein, eden največjih, če ne celo največji fizik vseh časov. Med nadležnimi malenkostmi je bilo vprašanje o eterični veter.

Poskusi Alberta Michelsona

Zdelo se je, da se to vprašanje ne nanaša neposredno na problem gravitacije. Povezoval se je z optiko, s svetlobo. Natančneje, na opredelitev njegove hitrosti.

Danski astronom je prvi določil hitrost svetlobe. Olaf Remer opazovanje mrka Jupitrovih lun. To se je zgodilo že leta 1675.

Ameriški fizik Albert Michelson konec 18. stoletja je z aparaturo, ki jo je zasnoval, izvedel vrsto določitev hitrosti svetlobe v zemeljskih razmerah.

Leta 1927 je dal hitrost svetlobe 299796 + 4 km/s, kar je bila za tiste čase odlična natančnost. A bistvo zadeve je drugačno. Leta 1880 se je odločil raziskati eterični veter. Želel je končno ugotoviti obstoj prav tistega etra, s prisotnostjo katerega so poskušali razložiti tako prenos gravitacijske interakcije kot prenos svetlobnih valov.

Michelson je bil verjetno najimenitnejši eksperimentator svojega časa. Imel je odlično opremo. In bil je skoraj prepričan o uspehu.

Bistvo izkušnje

Izkušnja je bil zasnovan tako. Zemlja se giblje po svoji orbiti s hitrostjo približno 30 km/s.. Premika se po zraku. To pomeni, da mora biti hitrost svetlobe iz vira, ki je pred sprejemnikom glede na gibanje Zemlje, večja kot iz vira, ki je na drugi strani. V prvem primeru je treba hitrosti svetlobe prišteti hitrost eteričnega vetra, v drugem primeru pa se mora hitrost svetlobe zmanjšati za to vrednost.

Seveda je hitrost Zemlje v njeni orbiti okoli Sonca le ena desettisočinka svetlobne hitrosti. Najti tako majhen izraz je zelo težko, vendar so Michelsona z razlogom imenovali kralj natančnosti. Uporabil je domiseln način, da je ujel »neulovljivo« razliko v hitrostih svetlobnih žarkov.

Žarek je razdelil na dva enaka toka in ju usmeril v medsebojno pravokotni smeri: po meridianu in po vzporedniku. Žarki, ki so se odbili od ogledal, so se vrnili. Če bi žarek, ki gre vzdolž vzporednice, doživel vpliv eteričnega vetra, bi ob njegovem dodajanju meridionalnemu žarku morale nastati interferenčne obrobe, valovanja obeh žarkov bi bila zamaknjena v fazi.

Vendar je bilo Michelsonu težko izmeriti poti obeh žarkov s tako veliko natančnostjo, da bi bili popolnoma enaki. Zato je aparat zgradil tako, da ni bilo interferenčnih robov, nato pa ga je obrnil za 90 stopinj.

Meridionalni žarek je postal širinski in obratno. Če piha eterični veter, se morajo pod okularjem pojaviti črne in svetle proge! Ampak niso bili. Morda ga je znanstvenik ob obračanju naprave premaknil.

Opoldne ga je postavil in popravil. Navsezadnje se poleg tega tudi vrti okoli osi. In zato v različnih obdobjih dneva zemljepisni žarek zavzema drugačen položaj glede na prihajajoči eterični veter. Zdaj, ko je aparat popolnoma negiben, se je mogoče prepričati o natančnosti eksperimenta.

Spet ni bilo interferenčnih robov. Poskus je bil izveden večkrat in Michelson in z njim vsi fiziki tistega časa so bili presenečeni. Eterični veter ni bil zaznan! Svetloba je potovala v vse smeri z enako hitrostjo!

Nihče ni znal tega razložiti. Michelson je poskus vedno znova ponavljal, izboljševal opremo in končno dosegel skoraj neverjetno merilno natančnost, za red velikosti večjo, kot je bilo potrebno za uspeh poskusa. In spet nič!

Eksperimenti Alberta Einsteina

Naslednji velik korak v poznavanje sile gravitacije naredil Albert Einstein.
Alberta Einsteina so nekoč vprašali:

Kako ste prišli do posebne teorije relativnosti? V kakšnih okoliščinah ste prišli na briljantno idejo? Znanstvenik je odgovoril: »Vedno se mi je zdelo, da je tako.

Morda ni želel biti odkrit, morda se je želel znebiti nadležnega sogovornika. Toda težko si je predstavljati, da je bila Einsteinova ideja o povezavah med časom, prostorom in hitrostjo prirojena.

Ne, seveda, najprej je bila slutnja, svetla kot strela. Nato se je začel razvoj. Ne, ni nobenih protislovij z znanimi pojavi. In potem se je pojavilo tistih pet strani polnih formul, ki so bile objavljene v fizičnem časopisu. Strani, ki so odprle novo obdobje v fiziki.

Predstavljajte si vesoljsko ladjo, ki leti skozi vesolje. Takoj vas opozorimo: zvezdna ladja je zelo nenavadna, o kakršni še niste brali v znanstvenofantastičnih zgodbah. Njegova dolžina je 300 tisoč kilometrov, njegova hitrost pa je, recimo, 240 tisoč km / s. In ta vesoljska ladja leti mimo ene od vmesnih platform v vesolju, ne da bi se na njej ustavila. S polno hitrostjo.

Eden od potnikov stoji na krovu zvezdne ladje z uro. In ti in jaz, bralec, stojiva na ploščadi - njena dolžina mora ustrezati velikosti zvezdne ladje, to je 300 tisoč kilometrov, sicer se je ne bo mogla držati. Pa še uro imamo v rokah.

Opazimo, da je v trenutku, ko je premec zvezdne ladje dohitel zadnji rob naše ploščadi, na njem zasvetila svetilka, ki je osvetlila prostor okoli njega. Sekundo kasneje je žarek svetlobe dosegel sprednji rob naše ploščadi. O tem ne dvomimo, saj poznamo svetlobno hitrost in smo uspeli natančno določiti ustrezen trenutek na uri. In na zvezdni ladji ...

Toda tudi zvezdna ladja je poletela proti žarku svetlobe. In prav gotovo smo videli, da je luč osvetlila njegovo krmo v trenutku, ko je bil nekje na sredini ploščadi. Vsekakor smo videli, da žarek svetlobe ni prekril 300 tisoč kilometrov od premca do krme ladje.

Toda potniki na krovu zvezdne ladje so prepričani o nečem drugem. Prepričani so, da je njihov žarek pokrival celotno razdaljo od premca do krme 300 tisoč kilometrov. Navsezadnje je za to porabil celo sekundo. Tudi oni so to popolnoma natančno posneli na svojih urah. In kako bi lahko bilo drugače: navsezadnje hitrost svetlobe ni odvisna od hitrosti vira ...

Kako to? Vidimo eno s fiksne ploščadi, drugo pa njim na krovu zvezdne ladje? Kaj je narobe?

Einsteinova teorija relativnosti

Takoj je treba opozoriti: Einsteinova teorija relativnosti na prvi pogled je popolnoma v nasprotju z našo ustaljeno predstavo o strukturi sveta. Lahko rečemo, da je tudi v nasprotju z zdravo pametjo, kot smo jo vajeni predstavljati. To se je v zgodovini znanosti zgodilo večkrat.

Toda odkritje sferičnosti Zemlje je bilo v nasprotju z zdravo pametjo. Kako naj ljudje živijo na nasprotni strani in ne padejo v prepad?

Za nas je sferičnost Zemlje nedvomno dejstvo in z vidika zdrave pameti je vsaka drugačna domneva nesmiselna in divja. Toda stopite stran od svojega časa, predstavljajte si prvi pojav te ideje in razumeli boste, kako težko bi jo bilo sprejeti.

No, ali je bilo lažje priznati, da Zemlja ni negibna, ampak leti po svoji poti desetkrat hitreje kot topovska krogla?

Vse to so bile razvaline zdrave pameti. Zato se sodobni fiziki tega nikoli ne sklicujejo.

Zdaj pa nazaj k posebni teoriji relativnosti. Svet jo je prvič prepoznal leta 1905 po članku, ki ga je podpisalo malo znano ime - Albert Einstein. In takrat je imel le 26 let.

Einstein je iz tega paradoksa naredil zelo preprosto in logično domnevo: z vidika opazovalca na ploščadi je v premikajočem se avtomobilu preteklo manj časa, kot ga je izmerila vaša zapestna ura. V avtomobilu se je čas upočasnil v primerjavi s časom na mirujoči ploščadi.

Iz te predpostavke so logično sledile prav neverjetne stvari. Izkazalo se je, da oseba, ki se v službo pelje s tramvajem, v primerjavi s pešcem, ki pelje po isti poti, ne le prihrani čas zaradi hitrosti, ampak gre zanj tudi počasneje.

Vendar ne poskušajte na ta način ohraniti večne mladosti: tudi če postanete kočijaš in tretjino svojega življenja preživite v tramvaju, boste v 30 letih pridobili komajda več kot milijoninko sekunde. Da bi pridobitev časa postala opazna, se je treba gibati s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti.

Izkazalo se je, da se povečanje hitrosti teles odraža v njihovi masi. Bližje ko je hitrost telesa svetlobni, večja je njegova masa. Pri hitrosti telesa, ki je enaka hitrosti svetlobe, je njegova masa enaka neskončnosti, torej je večja od mase Zemlje, Sonca, Galaksije, našega celotnega vesolja ... Toliko je masa se lahko koncentrira v preprostem tlakovcu in ga pospeši do hitrosti
Sveta!

To nalaga omejitev, ki nobenemu materialnemu telesu ne dovoljuje, da bi razvilo hitrost, ki je enaka svetlobni hitrosti. Konec koncev, ko masa raste, jo je vedno težje razpršiti. In neskončne mase ne more premakniti nobena sila.

Vendar je narava naredila zelo pomembno izjemo od tega zakona za cel razred delcev. Na primer za fotone. Lahko se premikajo s svetlobno hitrostjo. Natančneje, ne morejo se premikati z nobeno drugo hitrostjo. Nepredstavljivo si je zamisliti nepremični foton.

Ko miruje, nima mase. Prav tako nevtrini nimajo mase mirovanja, prav tako pa so obsojeni na večno neomejeno letenje po vesolju z največjo možno hitrostjo v našem vesolju, ne da bi prehiteli svetlobo in ji sledili.

Ali ni res, da je vsaka od naštetih posledic posebne teorije relativnosti presenetljiva, paradoksalna! In vsaka je seveda v nasprotju z »zdravo pametjo«!

Zanimivo pa je to: ne v konkretni obliki, ampak kot široko filozofsko stališče so vse te neverjetne posledice napovedali ustanovitelji dialektičnega materializma. Kaj pravijo te implikacije? O povezavah, ki povezujejo energijo in maso, maso in hitrost, hitrost in čas, hitrost in dolžino premikajočega se predmeta …

Einsteinovo odkritje soodvisnosti je tako kot cement (več:), povezovanje armatur ali temeljnih kamnov povezalo stvari in pojave, ki so se prej zdeli neodvisni drug od drugega, in ustvarilo temelj, na katerem je prvič v zgodovini znanosti nastala mogoče zgraditi harmonično zgradbo. Ta stavba je predstavitev delovanja našega vesolja.

A najprej vsaj nekaj besed o splošni teoriji relativnosti, ki jo je prav tako ustvaril Albert Einstein.

Albert Einstein

To ime - splošna teorija relativnosti - ne ustreza povsem vsebini teorije, o kateri bomo razpravljali. Vzpostavlja soodvisnost med prostorom in materijo. Očitno bi bilo bolj pravilno imenovati prostorsko-časovna teorija, oz teorija gravitacije.

Toda to ime je tako tesno zraslo z Einsteinovo teorijo, da se mnogim znanstvenikom zdi nespodobno celo vprašanje o njegovi zamenjavi.

Splošna teorija relativnosti je ugotovila soodvisnost med materijo ter časom in prostorom, ki jo vsebujeta. Izkazalo se je, da si prostora in časa ne le ne moremo predstavljati ločeno od materije, ampak so njune lastnosti odvisne tudi od materije, ki ju napolnjuje.

Izhodišče razprave

Zato je mogoče samo določiti izhodišče razprave in potegnite nekaj pomembnih zaključkov.

Na začetku vesoljske poti je nepričakovana katastrofa uničila knjižnico, filmski fond in druga skladišča uma, spomina ljudi, ki so leteli skozi vesolje. In narava domačega planeta je v menjavi stoletij pozabljena. Tudi zakon univerzalne gravitacije je pozabljen, ker raketa leti v medgalaktičnem prostoru, kjer je skoraj ni čutiti.

Vendar pa ladijski motorji delujejo odlično, zaloga energije v baterijah je tako rekoč neomejena. Večino časa se ladja premika po vztrajnosti, njeni prebivalci pa so vajeni breztežnosti. Včasih pa prižgejo motorje in upočasnijo ali pospešijo gibanje ladje. Ko reaktivne šobe planejo v praznino z brezbarvnim plamenom in se ladja pospešeno premika, prebivalci čutijo, da njihova telesa postanejo težka, prisiljeni so hoditi po ladji in ne leteti po hodnikih.

In zdaj je let blizu konca. Ladja prileti do ene od zvezd in pade v orbite najprimernejšega planeta. Zvezdne ladje ugasnejo, hodijo po svežih zelenih tleh in nenehno doživljajo enak občutek teže, znan iz časa, ko se je ladja premikala s pospešenim tempom.

Toda planet se giblje enakomerno. Proti njim ne more leteti s stalnim pospeškom 9,8 m/s2! In imajo prvo predpostavko, da gravitacijsko polje (gravitacijska sila) in pospešek dajeta enak učinek in morda imata skupno naravo.

Nihče od naših sodobnikov zemljanov ni bil na tako dolgem letu, a marsikdo je občutil pojav »obtežitve« in »lajšanja« svojega telesa. Že navadno dvigalo, ko se premika pospešeno, ustvari ta občutek. Pri spuščanju občutite nenadno izgubo teže, pri vzpenjanju nasprotno tla pritiskajo na vaše noge močneje kot običajno.

Toda en občutek ne dokazuje ničesar. Navsezadnje nas občutki poskušajo prepričati, da se Sonce giblje na nebu okoli negibne Zemlje, da so vse zvezde in planeti na enaki razdalji od nas, na nebesnem svodu itd.

Znanstveniki so občutke podvrgli eksperimentalnemu preverjanju. Celo Newton je razmišljal o nenavadni istovetnosti obeh pojavov. Poskušal jim je dati numerične značilnosti. Po izmerjenih gravitacijskih in , je bil prepričan, da so njihove vrednosti vedno strogo enake.

Iz kakršnih koli materialov je naredil nihala pilotne naprave: iz srebra, svinca, stekla, soli, lesa, vode, zlata, peska, pšenice. Rezultat je bil isti.

Načelo enakovrednosti, o katerem govorimo, je osnova splošne teorije relativnosti, čeprav sodobna interpretacija teorije tega načela ne potrebuje več. Če izpustimo matematične zaključke, ki izhajajo iz tega načela, pojdimo neposredno k nekaterim posledicam splošne teorije relativnosti.

Prisotnost velikih mas snovi močno vpliva na okoliški prostor. V njem pride do takšnih sprememb, ki jih lahko opredelimo kot nehomogenosti prostora. Te nehomogenosti usmerjajo gibanje vseh mas, ki so blizu privlačnega telesa.

Ponavadi se zatekajo k takšni analogiji. Predstavljajte si platno, tesno napeto na okvir, ki je vzporeden z zemeljsko površino. Naložite mu veliko težo. To bo naša velika privlačna masa. Seveda bo upognila platno in končala v kakšni vdolbini. Zdaj zakotalite žogico po tem platnu tako, da del njene poti leži ob privlačni masi. Glede na način izstrelitve žoge so možne tri možnosti.

1. Žoga bo odletela dovolj daleč od vdolbine, ki nastane zaradi odklona platna, in ne bo spremenila svojega gibanja.
2. Žoga se bo dotaknila vdolbine in linije njenega gibanja se bodo upognile proti privlačni masi.
3. Žoga bo padla v to luknjo, ne bo mogla iz nje in bo naredila en ali dva obrata okoli gravitirajoče mase.

Ali ni res, da tretja možnost zelo lepo modelira, da zvezda ali planet zajame tuje telo, ki je neprevidno priletelo v njihovo privlačno polje?

In drugi primer je upogibanje trajektorije telesa, ki leti s hitrostjo, večjo od možne hitrosti zajemanja! Prvi primer je podoben letenju izven praktičnega dosega gravitacijskega polja. Da, praktično je, ker je teoretično gravitacijsko polje neomejeno.

Seveda je to zelo oddaljena analogija, predvsem zato, ker si nihče ne zna zares predstavljati upogiba našega tridimenzionalnega prostora. Kakšen je fizični pomen tega odklona ali ukrivljenosti, kot pogosto rečejo, nihče ne ve.

Iz splošne teorije relativnosti izhaja, da se lahko vsako materialno telo giblje v gravitacijskem polju samo po krivuljah. Le v posebnih, posebnih primerih se krivulja spremeni v ravno črto.

Tudi svetlobni žarek upošteva to pravilo. Navsezadnje je sestavljen iz fotonov, ki imajo med letom določeno maso. In gravitacijsko polje ima svoj vpliv nanjo, tako kot na molekulo, asteroid ali planet.

Druga pomembna ugotovitev je, da gravitacijsko polje spreminja tudi tok časa. V bližini velike privlačne mase, v močnem gravitacijskem polju, ki ga le-ta ustvarja, naj bi čas tekel počasneje kot stran od nje.

Vidite, splošna teorija relativnosti je polna paradoksalnih zaključkov, ki lahko vedno znova ovržejo naše predstave o "zdravi pameti"!

Gravitacijski kolaps

Pogovorimo se o neverjetnem pojavu kozmične narave - o gravitacijskem kolapsu (katastrofalnem stiskanju). Ta pojav se pojavi v velikanskih kopičenjih snovi, kjer gravitacijske sile dosežejo tako ogromne razsežnosti, da se jim nobena druga sila, ki obstaja v naravi, ne more upreti.

Zapomnite si znamenito Newtonovo formulo: večja kot je gravitacijska sila, manjši je kvadrat razdalje med gravitacijskimi telesi. Čim gostejša postaja materialna tvorba, čim manjša je njena velikost, čim hitreje naraščajo gravitacijske sile, tem bolj neizogiben je njihov uničujoč objem.

Obstaja zvita tehnika, s katero se narava bori z navidezno brezmejnim stiskanjem materije. Da bi to naredil, ustavi sam potek časa v sferi delovanja supergigantskih gravitacijskih sil in vklenjene gmote materije so tako rekoč izklopljene iz našega Vesolja, zamrznjene v čudnem letargičnem sanju.

Prva od teh "črnih lukenj" vesolja je verjetno že odkrita. Po predpostavki sovjetskih znanstvenikov O. Kh Huseynova in A. Sh Novruzova gre za delto Gemini - dvojno zvezdo z eno nevidno komponento.

Vidna komponenta ima maso 1,8 sončne, njen nevidni "partner" pa naj bi bil po izračunih štirikrat masivnejši od vidnega. Toda o tem ni nobenih sledi: nemogoče je videti najbolj neverjetno stvaritev narave, "črno luknjo".

Sovjetski znanstvenik profesor K. P. Stanjukovič je, kot pravijo, »na konici peresa« s čisto teoretičnimi konstrukcijami pokazal, da so lahko delci »zamrznjene snovi« zelo raznoliki po velikosti.

• Možne so njene velikanske tvorbe, podobne kvazarjem, ki nenehno sevajo toliko energije, kot jo seva vseh 100 milijard zvezd naše Galaksije.
• Možne so veliko bolj skromne grude, enake le nekaj sončnim masam. Tako ti kot drugi predmeti lahko nastanejo iz navadne, ne "speče" snovi.
• In možne so formacije povsem drugačnega razreda, ki so po masi sorazmerne z osnovnimi delci.

Da nastanejo, je treba snov, ki jih sestavlja, najprej izpostaviti velikanskemu pritisku in jo pognati v meje Schwarzschildove sfere - sfere, kjer se čas za zunanjega opazovalca popolnoma ustavi. In tudi če se potem pritisk celo zmanjša, bodo delci, za katere se je čas ustavil, še naprej obstajali neodvisno od našega vesolja.

plankeoni

Plankeoni so zelo poseben razred delcev. Po mnenju K. P. Stanyukovicha imajo izjemno zanimivo lastnost: snov nosijo v sebi v nespremenjeni obliki, kakršna je bila pred milijoni in milijardami let. Če pogledamo v notranjost plankeona, lahko vidimo snov, kakršna je bila v času rojstva našega vesolja. Po teoretičnih izračunih je v vesolju približno 1080 plankeonov, približno en plankeon v kocki prostora s stranico 10 centimetrov. Mimogrede, hkrati s Stanjukovičem in (ne glede na njega je hipotezo o plankeonih postavil akademik M.A. Markov. Samo Markov jim je dal drugačno ime - maksimoni.

S posebnimi lastnostmi plankeonov lahko razložimo tudi včasih paradoksalne transformacije osnovnih delcev. Znano je, da ob trčenju dveh delcev nikoli ne nastanejo drobci, ampak nastanejo drugi osnovni delci. To je res neverjetno: v običajnem svetu, ko razbijemo vazo, ne bomo nikoli dobili celih skodelic ali celo rozet. Predpostavimo pa, da je v globinah vsakega osnovnega delca plankeon, eden ali več, včasih pa tudi več plankeonov.

V trenutku trka delcev se tesno zavezana "vreča" plankeona nekoliko odpre, nekateri delci bodo "padli" vanjo in namesto "izskočili" tisti, za katere menimo, da so nastali med trkom. Hkrati pa bo plankeon kot skrben računovodja poskrbel za vse »zakone ohranjanja«, sprejete v svetu osnovnih delcev.
No, kaj ima s tem mehanizem univerzalne gravitacije?

Za gravitacijo so po hipotezi K. P. Stanyukovicha "odgovorni" drobni delci, tako imenovani gravitoni, ki jih neprekinjeno oddajajo osnovni delci. Gravitoni so toliko manjši od slednjih, kot je prašiček, ki pleše v sončnem žarku, manjši od globusa.

Sevanje gravitonov je podrejeno številnim zakonitostim. Zlasti je lažje leteti v to območje vesolja. Ki vsebuje manj gravitonov. To pomeni, da če sta v vesolju dve nebesni telesi, bosta obe sevali gravitone pretežno »navzven«, v smeri, ki sta si nasprotni. To ustvari impulz, ki povzroči, da se telesi približata drug drugemu, da se privlačita.

V tem delu bomo govorili o neverjetni Newtonovi domnevi, ki je vodila do odkritja zakona univerzalne gravitacije.
Zakaj kamen, izpuščen iz rok, pade na tla? Ker ga privlači Zemlja, bo rekel vsak izmed vas. Pravzaprav kamen pade na Zemljo s pospeškom prostega pada. Posledično s strani Zemlje na kamen deluje sila, usmerjena proti Zemlji. Po tretjem Newtonovem zakonu tudi kamen deluje na Zemljo z enakim modulom sile, usmerjenim proti kamnu. Z drugimi besedami, med Zemljo in kamnom delujejo sile medsebojne privlačnosti.
Newtonovo ugibanje
Newton je prvi uganil, nato pa strogo dokazal, da je vzrok za padec kamna na Zemljo, gibanje Lune okoli Zemlje in planetov okoli Sonca, en in isti. To je gravitacijska sila, ki deluje med vsemi telesi vesolja. Tukaj je potek njegovega razmišljanja, podanega v Newtonovem glavnem delu "Matematični principi naravne filozofije": "Kamen, vržen vodoravno, bo odstopil
, \\
1
/ /
pri
riž. 3.2
pod vplivom gravitacije z ravne poti in po opisu ukrivljene poti končno pade na Zemljo. Če ga vržete z večjo hitrostjo, ! potem bo padel še naprej« (slika 3.2). Nadaljevanje teh premislekov Newton \ pride do zaključka, da če ne bi bilo zračnega upora, bi pot kamna, vrženega z visoke gore z določeno hitrostjo, lahko postala taka, da sploh ne bi nikoli dosegel površja Zemlje, ampak bi se gibal okoli njega "tako kot planeti opisujejo svoje orbite v nebesnem prostoru."
Zdaj smo se že tako navadili na gibanje satelitov okoli Zemlje, da ni treba podrobneje razlagati Newtonove misli.
Torej je po Newtonu tudi gibanje Lune okoli Zemlje oziroma planetov okoli Sonca prosti pad, a le padanje, ki traja brez ustavljanja milijarde let. Vzrok za takšen »padec« (ne glede na to, ali gre res za padec navadnega kamna na Zemljo ali za gibanje planetov po njihovih orbitah) je sila univerzalne gravitacije. Od česa je ta sila odvisna?
Odvisnost sile gravitacije od mase teles
V § 1.23 smo govorili o prostem padu teles. Omenjeni so bili Galilejevi poskusi, ki so dokazali, da Zemlja sporoča enak pospešek vsem telesom na določenem mestu, ne glede na njihovo maso. To je mogoče le, če je sila privlačnosti Zemlje premosorazmerna z maso telesa. V tem primeru je pospešek prostega pada, ki je enak razmerju med gravitacijsko silo in maso telesa, stalna vrednost.
Dejansko bo v tem primeru povečanje mase m, na primer za faktor dva, povzročilo povečanje modula sile F tudi za faktor dva in pospešek
F
renija, ki je enak razmerju - , bo ostal nespremenjen.
Če posplošimo ta sklep za gravitacijske sile med vsemi telesi, sklepamo, da je sila univerzalne gravitacije premosorazmerna z maso telesa, na katero ta sila deluje. Toda pri medsebojni privlačnosti sodelujeta vsaj dve telesi. Vsak od njih je po tretjem Newtonovem zakonu podvržen istemu modulu gravitacijskih sil. Zato mora biti vsaka od teh sil sorazmerna tako z maso enega telesa kot z maso drugega telesa.
Zato je sila univerzalne gravitacije med dvema telesoma neposredno sorazmerna zmnožku njunih mas:
F - tukaj2. (3.2.1)
Kaj še določa gravitacijsko silo, ki deluje na dano telo iz drugega telesa?
Odvisnost sile gravitacije od razdalje med telesi
Lahko domnevamo, da bi morala biti sila gravitacije odvisna od razdalje med telesi. Da bi preveril pravilnost te predpostavke in ugotovil odvisnost sile gravitacije od razdalje med telesi, se je Newton obrnil na gibanje Zemljinega satelita - Lune. Njegovo gibanje so v tistih časih preučevali veliko natančneje kot gibanje planetov.
Revolucija Lune okoli Zemlje se pojavi pod vplivom gravitacijske sile med njima. Približno lahko orbito Lune štejemo za krog. Zato Zemlja posreduje Luni centripetalni pospešek. Izračuna se po formuli
l 2
a \u003d - Tg
kjer je B polmer lunarne orbite, ki je enak približno 60 polmerom Zemlje, T \u003d 27 dni 7 h 43 min \u003d 2,4 106 s je obdobje revolucije Lune okoli Zemlje. Če upoštevamo, da je polmer Zemlje R3 = 6,4 106 m, dobimo, da je centripetalni pospešek Lune enak:
2 6 4k 60 ¦ 6,4 ¦ 10
M „„ „. , približno
a = 2 ~ 0,0027 m/s*.
(2,4 ¦ 106 s)
Ugotovljena vrednost pospeška je za približno 3600 = 602-krat manjša od pospeška prostega padanja teles ob površini Zemlje (9,8 m/s2).
Tako je povečanje razdalje med telesom in Zemljo za 60-krat povzročilo zmanjšanje pospeška, ki ga povzroča zemeljska gravitacija, in posledično tudi same gravitacijske sile za 602-krat.
To vodi do pomembnega zaključka: pospešek, ki ga telesom podeli sila privlačnosti Zemlje, se zmanjšuje v obratnem sorazmerju s kvadratom razdalje do središča Zemlje:
ci
a = -k, (3.2.2)
R
kjer je Cj konstanten koeficient, enak za vsa telesa.
Keplerjevi zakoni
Študija gibanja planetov je pokazala, da je to gibanje posledica sile gravitacije proti Soncu. Z uporabo natančnih dolgoletnih opazovanj danskega astronoma Tycha Braheja je nemški znanstvenik Johannes Kepler v začetku 17. st. postavil kinematične zakonitosti gibanja planetov – tako imenovane Keplerjeve zakone.
Keplerjev prvi zakon
Vsi planeti se gibljejo po elipsah s Soncem v enem od žarišč.
Elipsa (slika 3.3) je ravna zaprta krivulja, katere vsota razdalj od katere koli točke do dveh fiksnih točk, imenovanih žarišča, je konstantna. Ta vsota razdalj je enaka dolžini velike osi AB elipse, tj.
FgP + F2P = 2b,
kjer sta Fl in F2 žarišči elipse, b = ^^ pa njena velika polos; O je središče elipse. Soncu najbližja točka orbite se imenuje perihelij, od njega najbolj oddaljena točka pa p.

AT
riž. 3.4
"2
B A A afelij. Če je Sonce v žarišču Fr (glej sliko 3.3), je točka A perihelij, točka B pa afelij.
Keplerjev drugi zakon
Radij-vektor planeta za enake časovne intervale opisuje enaka območja. Torej, če imajo osenčeni sektorji (slika 3.4) enako površino, potem bo planet prehodil poti si> s2> s3 v enakih časovnih intervalih. Iz slike je razvidno, da je Sj > s2. Posledično linearna hitrost planeta na različnih točkah njegove orbite ni enaka. V periheliju je hitrost planeta največja, v afelu - najmanjša.
Keplerjev tretji zakon
Kvadrati obhodnih dob planetov okoli Sonca so povezani kot kubi velikih pol osi njihovih orbit. Če označimo pol-veliko os orbite in obdobje revolucije enega od planetov skozi bx in Tv ter drugega - skozi b2 in T2, lahko Keplerjev tretji zakon zapišemo na naslednji način:

Iz te formule je razvidno, da dlje ko je planet od Sonca, daljše je njegovo obdobje kroženja okoli Sonca.
Na podlagi Keplerjevih zakonov je mogoče sklepati o pospeških, ki jih planetom posreduje Sonce. Zaradi poenostavitve bomo predpostavili, da orbite niso eliptične, ampak krožne. Za planete sončnega sistema ta zamenjava ni zelo grob približek.
Potem bi morala biti sila privlačnosti s strani Sonca v tem približku za vse planete usmerjena v središče Sonca.
Če s T označimo krožne dobe planetov, z R pa polmere njihovih orbit, potem lahko po Keplerjevem tretjem zakonu za dva planeta zapišemo
t\L? T2 R2
Normalni pospešek pri krožnem gibanju a = co2R. Zato je razmerje pospeškov planetov
Q-i GlD.
7G=-2~- (3-2-5)
2t:r0
Z uporabo enačbe (3.2.4) dobimo
T2
Ker Keplerjev tretji zakon velja za vse planete, je pospešek vsakega planeta obratno sorazmeren s kvadratom njegove oddaljenosti od Sonca:
o o o
a = -|. (3.2.6)
WT
Konstanta C2 je enaka za vse planete, vendar se ne ujema s konstanto C2 v formuli za pospešek, ki ga daje telesom globus.
Izraza (3.2.2) in (3.2.6) kažeta, da gravitacijska sila v obeh primerih (privlačnost na Zemljo in privlačnost na Sonce) daje vsem telesom pospešek, ki ni odvisen od njihove mase in pada obratno sorazmerno s kvadratom razdalja med njima:
F~a~-2. (3.2.7)
R
Gravitacijski zakon
Obstoj odvisnosti (3.2.1) in (3.2.7) pomeni, da sila univerzalne gravitacije 12
TP.L Š
F~
R2? ТТТ-i ТПп
F=G
Leta 1667 je Newton končno formuliral zakon univerzalne gravitacije:
(3.2.8) R
Sila medsebojnega privlačenja dveh teles je premo sorazmerna s produktom mas teh teles in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima. Proporcionalni faktor G imenujemo gravitacijska konstanta.
Interakcija točkastih in razširjenih teles
Zakon univerzalne gravitacije (3.2.8) velja samo za taka telesa, katerih dimenzije so zanemarljive v primerjavi z razdaljo med njimi. Z drugimi besedami, velja le za materialne točke. V tem primeru so sile gravitacijske interakcije usmerjene vzdolž črte, ki povezuje te točke (slika 3.5). Take sile imenujemo centralne.
Če želite ugotoviti gravitacijsko silo, ki deluje na dano telo iz drugega, v primeru, ko velikosti teles ni mogoče zanemariti, postopajte na naslednji način. Obe telesi sta mentalno razdeljeni na tako majhne elemente, da lahko vsakega od njih štejemo za točko. Če seštejemo gravitacijske sile, ki delujejo na vsak element danega telesa iz vseh elementov drugega telesa, dobimo silo, ki deluje na ta element (slika 3.6). Ko izvedejo takšno operacijo za vsak element danega telesa in dodajo nastale sile, ugotovijo skupno gravitacijsko silo, ki deluje na to telo. Ta naloga je težka.
Obstaja pa en praktično pomemben primer, ko je formula (3.2.8) uporabna za razširjena telesa. Možno je dokazati
m^
sl. 3.5 Sl. 3.6
Lahko trdimo, da se kroglasta telesa, katerih gostota je odvisna le od razdalje do njihovih središč, na razdaljah med njimi, ki so večje od vsote njihovih polmerov, privlačijo sile, katerih moduli so določeni s formulo (3.2.8) . V tem primeru je R razdalja med središči kroglic.
In končno, ker so dimenzije teles, ki padajo na Zemljo, veliko manjše od dimenzij Zemlje, lahko ta telesa obravnavamo kot točkasta. Potem je treba pod R v formuli (3.2.8) razumeti razdaljo od danega telesa do središča Zemlje.
Med vsemi telesi obstajajo sile medsebojnega privlačenja, ki so odvisne od samih teles (njihovih mas) in od razdalje med njimi.
? 1. Razdalja od Marsa do Sonca je za 52 % večja od razdalje od Zemlje do Sonca. Kakšna je dolžina leta na Marsu? 2. Kako se bo spremenila sila privlačnosti med kroglicama, če aluminijaste kroglice (slika 3.7) zamenjamo z jeklenimi kroglicami enake mase? enako količino?

Absolutno vsa materialna telesa, ki se nahajajo neposredno na Zemlji in obstajajo v vesolju, se nenehno privlačijo. Dejstvo, da te interakcije nikakor ni vedno mogoče videti ali občutiti, kaže samo na to, da je ta privlačnost v teh specifičnih primerih relativno šibka.

Interakcija med materialnimi telesi, ki je sestavljena iz njihovega nenehnega stremljenja drug k drugemu, se po osnovnih fizikalnih izrazih imenuje gravitacijska, sam pojav privlačnosti pa gravitacija.

Pojav gravitacije je mogoč, ker obstaja gravitacijsko polje okoli absolutno katerega koli materialnega telesa (tudi okoli človeka). To polje je posebna vrsta materije, pred delovanjem katere ni mogoče zaščititi ničesar in s pomočjo katere eno telo deluje na drugo in povzroča pospešek proti središču izvora tega polja. Služila je kot osnova za univerzalno gravitacijo, ki jo je leta 1682 oblikoval angleški naravoslovec in filozof I.

Osnovni koncept tega zakona je gravitacijska sila, ki, kot je navedeno zgoraj, ni nič drugega kot posledica delovanja gravitacijskega polja na določeno materialno telo. leži v dejstvu, da je sila, s katero se pojavi medsebojna privlačnost teles tako na Zemlji kot v vesolju, neposredno odvisna od produkta mase teh teles in je obratno sorazmerna z razdaljo, ki ločuje te predmete.

Tako je gravitacijska sila, katere definicijo je dal sam Newton, odvisna le od dveh glavnih dejavnikov - mase medsebojno delujočih teles in razdalje med njimi.

Potrditev, da je ta pojav odvisen od mase snovi, lahko najdemo s preučevanjem interakcije Zemlje s telesi, ki jo obkrožajo. Kmalu za Newtonom je drugi slavni znanstvenik, Galileo, prepričljivo dokazal, da daje naš planet pri , vsem telesom popolnoma enak pospešek. To je mogoče le, če je telo do Zemlje neposredno odvisno od mase tega telesa. Navsezadnje se bo v tem primeru z večkratnim povečanjem mase sila delujoče gravitacije povečala natanko tolikokrat, medtem ko bo pospešek ostal nespremenjen.

Če nadaljujemo to misel in razmislimo o medsebojnem delovanju poljubnih dveh teles na površju »modrega planeta«, potem lahko sklepamo, da na vsako od njiju iz naše »matere Zemlje« deluje ista sila. Hkrati lahko, če se opiramo na slavni zakon, ki ga je oblikoval isti Newton, z gotovostjo rečemo, da bo velikost te sile neposredno odvisna od mase telesa, zato je gravitacijska sila med temi telesi neposredno odvisna od produkta njihovih mas.

Da bi dokazal, da je odvisno od velikosti vrzeli med telesi, je moral Newton kot »zaveznika« vključiti Luno. Že dolgo je ugotovljeno, da je pospešek, s katerim telesa padejo na Zemljo, približno enak 9,8 m / s ^ 2, vendar se je Luna glede na naš planet kot rezultat serije poskusov izkazala le za 0,0027. m/s ^ 2.

Tako je gravitacijska sila najpomembnejša fizikalna količina, ki pojasnjuje številne procese, ki se dogajajo tako na našem planetu kot v okoliškem vesolju.

Gravitacijska sila

Newton je odkril zakone gibanja teles. Po teh zakonih je gibanje s pospeškom možno le pod delovanjem sile. Ker se padajoča telesa gibljejo pospešeno, morajo biti izpostavljena sili, usmerjeni navzdol proti Zemlji. Ali ima samo Zemlja to lastnost, da k sebi privlači telesa, ki so blizu njene površine? Leta 1667 je Newton predlagal, da na splošno med vsemi telesi delujejo sile medsebojne privlačnosti. Te sile je poimenoval sile univerzalne gravitacije.

Zakaj ne opazimo medsebojne privlačnosti med telesi okoli nas? Morda je to posledica dejstva, da so sile privlačnosti med njima premajhne?

Newtonu je uspelo pokazati, da je sila privlačnosti med telesi odvisna od mase obeh teles in, kot se je izkazalo, doseže opazno vrednost le, če imata medsebojno delujoči telesi (ali vsaj eno od njih) dovolj veliko maso.

»LUKNJE« V PROSTORU IN ČASU

Črne luknje so produkt velikanskih gravitacijskih sil. Nastanejo, ko med močnim stiskanjem velike mase snovi njeno naraščajoče gravitacijsko polje postane tako močno, da ne prepušča niti svetlobe, iz črne luknje sploh ne more priti nič. Vanjo lahko padeš le pod vplivom ogromnih gravitacijskih sil, a izhoda ni. Sodobna znanost je razkrila povezavo časa s fizikalnimi procesi, ki so poklicani "sondirati" prve člene verige časa v preteklosti in slediti njegovim lastnostim v daljni prihodnosti.

Vloga mas privlačnih teles

Pospešek prostega pada se odlikuje po zanimivi lastnosti, da je na določenem mestu enak za vsa telesa, za telesa katere koli mase. Kako razložiti to čudno lastnost?

Edina razlaga, da pospešek ni odvisen od mase telesa, je ta, da je sila F, s katero Zemlja privlači telo, sorazmerna z njegovo maso m.

Dejansko bo v tem primeru povečanje mase m, na primer za faktor dva, povzročilo povečanje modula sile F tudi za faktor dva, medtem ko bo pospešek, ki je enak razmerju F /m, bo ostal nespremenjen. Newton je naredil to edino pravilno ugotovitev: sila univerzalne gravitacije je sorazmerna z maso telesa, na katero deluje.

Toda navsezadnje se telesa medsebojno privlačijo in sile interakcije so vedno iste narave. Posledično je sila, s katero telo privlači Zemljo, sorazmerna z maso Zemlje. Po tretjem Newtonovem zakonu sta ti sili absolutno enaki. Če je torej ena od njiju sorazmerna z maso Zemlje, potem je tudi druga sila, ki ji je enaka, sorazmerna z maso Zemlje. Od tod sledi, da je sila medsebojne privlačnosti sorazmerna z masama obeh medsebojno delujočih teles. In to pomeni, da je sorazmerna zmnožku mas obeh teles.

ZAKAJ GRAVITACIJA V VESOLJU NI ENAKA KOT NA ZEMLJI?

Vsak predmet v vesolju deluje na drug predmet, drug drugega privlačijo. Privlačna sila ali gravitacija je odvisna od dveh dejavnikov.

Prvič, odvisno je od tega, koliko snovi vsebuje predmet, telo, predmet. Večja kot je masa snovi telesa, močnejša je gravitacija. Če ima telo zelo majhno maso, je njegova gravitacija majhna. Na primer, masa Zemlje je večkrat večja od mase Lune, zato ima Zemlja večjo gravitacijsko silo kot Luna.

Drugič, sila gravitacije je odvisna od razdalj med telesi. Bolj ko sta telesi drug drugemu, večja je sila privlačnosti. Bolj kot sta drug od drugega, manjša je gravitacija.