Šta je gravitaciona sila u definiciji fizike. Sila gravitacije i sila univerzalne gravitacije

Visine na kojima se kreću umjetni sateliti već su uporedive sa radijusom Zemlje, tako da je za izračunavanje njihove putanje apsolutno neophodno uzeti u obzir promjenu sile gravitacije sa povećanjem udaljenosti.

Dakle, Galileo je tvrdio da će sva tijela oslobođena sa određene visine blizu površine Zemlje pasti istim ubrzanjem g (ako se zanemari otpor zraka). Sila koja uzrokuje ovo ubrzanje naziva se gravitacija. Primijenimo drugi Newtonov zakon na silu gravitacije, smatrajući ubrzanjem a ubrzanje gravitacije g . Dakle, sila gravitacije koja djeluje na tijelo može se zapisati kao:

F g =mg

Ova sila je usmjerena prema dolje prema centru Zemlje.

Jer u SI sistemu g = 9,8 , tada je sila gravitacije koja djeluje na tijelo mase 1 kg.

Primjenjujemo formulu zakona univerzalne gravitacije da opišemo silu gravitacije - silu gravitacije između zemlje i tijela koje se nalazi na njenoj površini. Tada će m 1 biti zamijenjen masom Zemlje m 3 , a r - rastojanjem do centra Zemlje, tj. do Zemljinog poluprečnika r 3 . Tako dobijamo:

Gdje je m masa tijela koje se nalazi na površini Zemlje. Iz ove jednakosti slijedi:

Drugim riječima, ubrzanje slobodnog pada na površini zemlje g određena je vrijednostima m 3 i r 3 .

Na Mjesecu, na drugim planetama ili u svemiru, sila gravitacije koja djeluje na tijelo iste mase bit će različita. Na primjer, na Mjesecu vrijednost g predstavlja samo jednu šestinu g na Zemlji, a na tijelo mase 1 kg djeluje sila gravitacije koja iznosi samo 1,7 N.

Sve dok nije izmjerena gravitacijska konstanta G, masa Zemlje je ostala nepoznata. I tek nakon što je G izmjeren, koristeći omjer, bilo je moguće izračunati masu zemlje. To je prvi uradio sam Henry Cavendish. Zamjenjujući u formulu ubrzanje slobodnog pada vrijednošću g=9,8m/s i poluprečnikom Zemlje r z =6,3810 6 dobijamo sljedeću vrijednost mase Zemlje:

Za gravitacionu silu koja djeluje na tijela blizu površine Zemlje, može se jednostavno koristiti izraz mg. Ako je potrebno izračunati silu privlačenja koja djeluje na tijelo koje se nalazi na nekoj udaljenosti od Zemlje, ili silu uzrokovanu drugim nebeskim tijelom (na primjer, Mjesecom ili drugom planetom), tada treba koristiti vrijednost g, izračunato po dobro poznatoj formuli, u kojoj se r 3 i m 3 moraju zamijeniti odgovarajućom udaljenosti i masom, također možete direktno koristiti formulu zakona univerzalne gravitacije. Postoji nekoliko metoda za vrlo precizno određivanje ubrzanja zbog gravitacije. Može se pronaći g jednostavno vaganjem standardnog utega na opružnoj vage. Geološke skale moraju biti nevjerovatne - njihova opruga mijenja napetost kada se doda opterećenje manji od milionitog dijela grama. Odlične rezultate daju torzione kvarcne vage. Njihov uređaj je u principu jednostavan. Na horizontalno rastegnuti kvarcni filament zavaren je poluga, čijom se težinom filament lagano uvija:

U istu svrhu se koristi i klatno. Do nedavno su metode klatna za mjerenje g bile jedine, i to tek 60-ih - 70-ih godina. Počele su se zamjenjivati praktičnijim i preciznijim metodama težine. U svakom slučaju, mjerenjem perioda oscilacije matematičkog klatna, formula se može koristiti za pronalaženje vrijednosti g prilično precizno. Mjerenjem vrijednosti g na različitim mjestima na istom instrumentu, može se suditi o relativnim promjenama sile gravitacije sa tačnošću od dijelova na milion.

Vrijednosti gravitacionog ubrzanja g u različitim tačkama na Zemlji donekle su različite. Iz formule g = Gm 3 može se vidjeti da vrijednost g mora biti manja, na primjer, na vrhovima planina nego na nivou mora, jer je udaljenost od centra Zemlje do vrha planine nešto veći. Zaista, ova činjenica je eksperimentalno utvrđena. Međutim, formula g=Gm 3 /r 3 2 ne daje tačnu vrijednost g u svim tačkama, budući da površina Zemlje nije baš sferna: ne samo da na njenoj površini postoje planine i mora, već postoji i promjena u polumjeru Zemlje na ekvatoru; osim toga, masa zemlje nije ravnomjerno raspoređena; Rotacija Zemlje takođe utiče na promenu g.

Međutim, ispostavilo se da su svojstva gravitacionog ubrzanja složenija nego što je Galileo mislio. Saznajte da veličina ubrzanja ovisi o geografskoj širini na kojoj se mjeri:

Veličina ubrzanja slobodnog pada također varira s visinom iznad površine Zemlje:

Vektor gravitacionog ubrzanja je uvijek usmjeren okomito prema dolje, ali duž viska na datoj lokaciji na Zemlji.

Dakle, na istoj geografskoj širini i na istoj visini iznad nivoa mora, ubrzanje gravitacije treba da bude isto. Precizna mjerenja pokazuju da vrlo često postoje odstupanja od ove norme - anomalije gravitacije. Razlog anomalija je nehomogena raspodjela mase u blizini mjesta mjerenja.

Kao što je već spomenuto, sila gravitacije sa strane velikog tijela može se predstaviti kao zbir sila koje djeluju od pojedinačnih čestica velikog tijela. Privlačenje klatna od strane Zemlje rezultat je djelovanja svih čestica Zemlje na njega. Ali jasno je da bliske čestice daju najveći doprinos ukupnoj sili - na kraju krajeva, privlačenje je obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti.

Ako su teške mase koncentrisane u blizini mjesta mjerenja, g će biti veći od norme, u suprotnom je g manji od norme.

Ako se, na primjer, g mjeri na planini ili na avionu koji leti iznad mora na visini planine, tada će se u prvom slučaju dobiti velika brojka. Također iznad norme je vrijednost g na osamljenim okeanskim ostrvima. Jasno je da se u oba slučaja povećanje g objašnjava koncentracijom dodatnih masa na mjestu mjerenja.

Ne samo vrijednost g, već i smjer gravitacije može odstupiti od norme. Ako objesite teret na konac, tada će izduženi konac pokazati vertikalu za ovo mjesto. Ova vertikala može odstupiti od norme. „Normalni“ smjer vertikale geolozima je poznat iz posebnih karata, na kojima je, prema podacima o vrijednostima g, izgrađena „idealna“ figura Zemlje.

Napravimo eksperiment sa viskom u podnožju velike planine. Težina viska Zemlja privlači u centar, a planina - u stranu. Visak u takvim uvjetima mora odstupati od smjera normalne vertikale. Pošto je masa Zemlje mnogo veća od mase planine, takva odstupanja ne prelaze nekoliko lučnih sekundi.

“Normalna” vertikala određena je zvijezdama, jer je za bilo koju geografsku tačku izračunato na kojem mjestu na nebu u datom trenutku dana i godine “naslanja” vertikala “idealne” figure Zemlje. .

Odstupanja od viska ponekad dovode do čudnih rezultata. Na primjer, u Firenci utjecaj Apenina ne vodi do privlačenja, već do odbijanja viska. Može postojati samo jedno objašnjenje: u planinama su ogromne praznine.

Izvanredan rezultat se dobija mjerenjem ubrzanja gravitacije na skali kontinenata i okeana. Kontinenti su mnogo teži od okeana, pa bi se činilo da bi vrijednosti g nad kontinentima trebale biti veće. Nego preko okeana. U stvarnosti, vrijednosti g, na istoj geografskoj širini iznad okeana i kontinenata, u prosjeku su iste.

Opet, postoji samo jedno objašnjenje: kontinenti počivaju na lakšim stijenama, a okeani na težim. Zaista, tamo gdje je moguće direktno istraživanje, geolozi utvrđuju da okeani počivaju na teškim bazaltnim stijenama, a kontinenti na lakim granitima.

Ali odmah se postavlja sljedeće pitanje: zašto teške i lagane stijene točno kompenzuju razliku u težini između kontinenata i okeana? Takva kompenzacija ne može biti slučajnost; njeni uzroci moraju biti ukorijenjeni u strukturi Zemljine ljuske.

Geolozi vjeruju da gornji dijelovi zemljine kore kao da lebde na plastičnoj površini koja se nalazi ispod, odnosno masi koja se lako deformira. Pritisak na dubinama od oko 100 km trebao bi biti svuda isti, kao što je isti pritisak na dnu posude s vodom, u kojoj plutaju komadi drveta različite težine. Stoga bi stub materije površine 1 m 2 od površine do dubine od 100 km trebao imati istu težinu i ispod okeana i ispod kontinenata.

Ovo izjednačavanje pritisaka (naziva se izostazija) dovodi do činjenice da se preko okeana i kontinenata duž iste geografske širine, vrednost ubrzanja gravitacije g ne razlikuje značajno. Lokalne gravitacijske anomalije služe geološkim istraživanjima, čija je svrha pronalaženje ležišta minerala pod zemljom, bez kopanja rupa, bez kopanja rudnika.

Teška ruda mora se tražiti na onim mjestima gdje je g najveće. Naprotiv, naslage lake soli detektuju se lokalno podcijenjenim vrijednostima g. Možete izmjeriti g na najbliži milioniti dio od 1 m/s 2 .

Metode izviđanja koje koriste klatna i ultraprecizne vage nazivaju se gravitacijskim. Oni su od velike praktične važnosti, posebno za potragu za naftom. Činjenica je da je gravitacijskim metodama istraživanja lako otkriti podzemne slane kupole, a vrlo često se ispostavi da tamo gdje ima soli ima i nafte. Štaviše, nafta leži u dubinama, a sol je bliže površini zemlje. Nafta je otkrivena gravitacijskim istraživanjem u Kazahstanu i drugdje.

Umjesto povlačenja kolica s oprugom, može mu se dati ubrzanje pričvršćivanjem užeta prebačenog preko remenice, sa čijeg suprotnog kraja je okačen teret. Tada će sila koja daje ubrzanje biti posljedica vaganje ovaj teret. Ubrzanje slobodnog pada ponovo se prenosi na tijelo njegovom težinom.

U fizici, težina je službeni naziv za silu koja je uzrokovana privlačenjem objekata na zemljinu površinu - "privlačenje gravitacije". Činjenica da se tijela privlače prema centru Zemlje čini ovo objašnjenje razumnim.

Kako god da je definirate, težina je sila. Ne razlikuje se od bilo koje druge sile, osim po dvije karakteristike: težina je usmjerena okomito i djeluje neprestano, ne može se eliminirati.

Da bismo direktno izmjerili težinu tijela, moramo koristiti opružnu vagu kalibriranu u jedinicama sile. Budući da je to često nezgodno, jedan uteg upoređujemo s drugim pomoću vage za ravnotežu, tj. pronađi odnos:

ZEMLJINA GRAVITACIJA KOJA DELUJE NA TELO X ZEMLJANA PRIVLAČNOST KOJA UTIČA NA STANDARD MASE

Pretpostavimo da je tijelo X privučeno 3 puta jače od standardne mase. U ovom slučaju kažemo da je Zemljina gravitacija koja djeluje na tijelo X 30 Njutna sile, što znači da je 3 puta veća od Zemljine sile koja djeluje na kilogram mase. Često se brkaju koncepti mase i težine, između kojih postoji značajna razlika. Masa je svojstvo samog tijela (to je mjera inercije ili njegove "količine materije"). Težina je sila kojom tijelo djeluje na oslonac ili rasteže ovjes (težina je brojčano jednaka gravitaciji ako oslonac ili ovjes nemaju ubrzanje).

Ako pomoću opružne vage izmjerimo težinu nekog objekta s vrlo velikom preciznošću, a zatim prebacimo vagu na drugo mjesto, otkrit ćemo da se težina objekta na površini Zemlje donekle razlikuje od mjesta do mjesta. Znamo da daleko od površine Zemlje, ili u dubinama zemaljske kugle, težina bi trebala biti mnogo manja.

Da li se masa mijenja? Naučnici su, razmišljajući o ovom pitanju, odavno došli do zaključka da masa treba ostati nepromijenjena. Čak i u centru Zemlje, gdje bi gravitacija, djelujući u svim smjerovima, trebala proizvesti neto silu od nule, tijelo bi i dalje imalo istu masu.

Dakle, masa, mjerena poteškoćama na koje nailazimo pokušavajući da ubrzamo kretanje male kolica, svuda je ista: na površini Zemlje, u centru Zemlje, na Mjesecu. Težina procijenjena na osnovu proširenja opružne vage (i osjećaja

u mišićima ruke osobe koja drži vagu) bit će mnogo manje na Mjesecu i gotovo nula u središtu Zemlje. (sl.7)

Kolika je Zemljina gravitacija koja djeluje na različite mase? Kako uporediti težine dva objekta? Uzmimo dva identična komada olova, recimo, po 1 kg. Zemlja privlači svakog od njih istom silom, jednakom težini od 10 N. Ako spojite oba komada od 2 kg, onda se vertikalne sile jednostavno zbrajaju: Zemlja privlači 2 kg dvostruko više od 1 kg. Dobit ćemo potpuno istu udvostručenu privlačnost ako spojimo oba dijela u jedan ili ih stavimo jedan na drugi. Gravitaciono privlačenje bilo kojeg homogenog materijala se jednostavno zbraja i nema apsorpcije ili zaštite jednog komada materije drugim.

Za bilo koji homogeni materijal, težina je proporcionalna masi. Stoga vjerujemo da je Zemlja izvor “gravitacijskog polja” koje izvire iz njenog centra okomito i sposobno da privuče bilo koji komad materije. Gravitaciono polje djeluje na isti način na, recimo, svaki kilogram olova. Ali što je s privlačnim silama koje djeluju na iste mase različitih materijala, na primjer, 1 kg olova i 1 kg aluminija? Značenje ovog pitanja zavisi od toga šta se podrazumeva pod jednakim masama. Najjednostavniji način poređenja masa, koji se koristi u naučnim istraživanjima i komercijalnoj praksi, je upotreba vaga za ravnotežu. Oni upoređuju sile koje vuku oba tereta. Ali dajući na ovaj način jednake mase, recimo, olova i aluminijuma, može se pretpostaviti da jednake težine imaju jednake mase. Ali zapravo, ovdje govorimo o dvije potpuno različite vrste mase - inercijskoj i gravitacijskoj masi.

Količina u formuli Predstavlja inercijsku masu. U eksperimentima s kolicima, koja se ubrzavaju oprugama, vrijednost djeluje kao karakteristika "težine tvari" pokazujući koliko je teško dati ubrzanje tijelu koje se razmatra. Kvantitativna karakteristika je omjer. Ova masa je mjera inercije, sklonosti mehaničkih sistema da se odupru promjeni stanja. Masa je svojstvo koje mora biti isto i blizu površine Zemlje, i na Mesecu, i u dubokom svemiru i u centru Zemlje. Kakva je njegova veza sa gravitacijom i šta se zapravo dešava prilikom vaganja?

Sasvim nezavisno od inercijalne mase, može se uvesti koncept gravitacione mase kao količine materije koju privlači Zemlja.

Smatramo da je gravitaciono polje Zemlje isto za sve objekte u njoj, ali pripisujemo različitim

metam različite mase, koje su proporcionalne privlačenju ovih objekata poljem. Ovo je gravitaciona masa. Kažemo da različiti objekti imaju različite težine jer imaju različite gravitacione mase koje privlači gravitaciono polje. Dakle, gravitacione mase su, po definiciji, proporcionalne težinama kao i sili gravitacije. Gravitaciona masa određuje kojom silom telo privlači Zemlja. Istovremeno, gravitacija je obostrana: ako Zemlja privlači kamen, onda kamen privlači i Zemlju. To znači da gravitaciona masa tijela također određuje koliko snažno ono privlači drugo tijelo, Zemlju. Dakle, gravitaciona masa mjeri količinu materije na koju djeluje Zemljina gravitacija, odnosno količinu materije koja uzrokuje gravitacijsko privlačenje između tijela.

Gravitaciono privlačenje djeluje na dva identična komada olova dvostruko više nego na jedan. Gravitacijske mase komada olova moraju biti proporcionalne inercijalnim masama, jer su mase obje vrste očito proporcionalne broju atoma olova. Isto vrijedi i za komade bilo kojeg drugog materijala, recimo voska, ali kako se komad olova može usporediti s komadom voska? Odgovor na ovo pitanje daje simbolički eksperiment proučavanja pada tijela različitih veličina s vrha kosog tornja u Pizi, onog koji je, prema legendi, izveo Galileo. Ispustite dva komada bilo kojeg materijala bilo koje veličine. Padaju istim ubrzanjem g. Sila koja djeluje na tijelo i daje mu ubrzanje6 je privlačnost Zemlje koja se primjenjuje na ovo tijelo. Sila privlačenja tijela od strane Zemlje proporcionalna je gravitacijskoj masi. Ali gravitacija svim tijelima daje isto ubrzanje g. Stoga, gravitacija, kao i težina, mora biti proporcionalna inercijskoj masi. Stoga tijela bilo kojeg oblika sadrže iste proporcije obje mase.

Ako uzmemo 1 kg kao jedinicu obje mase, onda će gravitacijska i inercijska masa biti jednaka za sva tijela bilo koje veličine iz bilo kojeg materijala i na bilo kojem mjestu.

Evo kako je to dokazano. Uporedimo etalon kilograma od platine6 sa kamenom nepoznate mase. Uporedimo njihove inercijalne mase, pokrećući svako od tijela naizmjenično u horizontalnom smjeru pod djelovanjem neke sile i mjereći ubrzanje. Pretpostavimo da je masa kamena 5,31 kg. Zemljina gravitacija nije uključena u ovo poređenje. Zatim upoređujemo gravitacijske mase oba tijela mjerenjem gravitacijske privlačnosti između svakog od njih i nekog trećeg tijela, najjednostavnije Zemlje. To se može uraditi vaganjem oba tijela. To ćemo vidjeti gravitaciona masa kamena je takođe 5,31 kg.

Više od pola veka pre nego što je Njutn predložio svoj zakon univerzalne gravitacije, Johanes Kepler (1571-1630) je otkrio da se „zamršeno kretanje planeta u Sunčevom sistemu može opisati sa tri jednostavna zakona. Keplerovi zakoni ojačali su vjeru u kopernikansku hipotezu da se planete također okreću oko Sunca.

Početkom 17. veka tvrditi da su planete oko Sunca, a ne oko Zemlje, bila je najveća jeres. Giordano Bruno, koji je otvoreno branio Kopernikanski sistem, osuđen je od strane Svete Inkvizicije kao jeretik i spaljen na lomači. Čak je i veliki Galileo, uprkos svom bliskom prijateljstvu sa Papom, bio zatvoren, osuđen od inkvizicije i primoran da se javno odrekne svojih stavova.

U to vrijeme, učenja Aristotela i Ptolomeja smatrana su svetim i neprikosnovenim, govoreći da orbite planeta nastaju kao rezultat složenih kretanja duž sistema krugova. Dakle, za opis orbite Marsa bilo je potrebno desetak krugova različitih prečnika. Johannes Kepler je postavio zadatak da "dokaže" da se Mars i Zemlja moraju okretati oko Sunca. Pokušavao je pronaći orbitu najjednostavnijeg geometrijskog oblika, koja bi tačno odgovarala brojnim mjerenjima položaja planete. Bile su potrebne godine zamornih proračuna prije nego što je Kepler uspio formulirati tri jednostavna zakona koji vrlo precizno opisuju kretanje svih planeta:

prvi zakon: Svaka planeta se kreće po elipsi

čiji je jedan od fokusa

drugi zakon: Radijus vektor (linija koja povezuje Sunce

i planeta) opisuje u jednakim intervalima

vremenski jednake površine

Treći zakon: Kvadrati perioda planeta

proporcionalno kockama njihovih sredstava

udaljenosti od sunca:

R 1 3 /T 1 2 = R 2 3 /T 2 2

Značaj Keplerovih radova je ogroman. Otkrio je zakone koje je Newton tada povezao sa zakonom univerzalne gravitacije.Naravno, ni sam Kepler nije znao do čega će njegova otkrića dovesti. "On se bavio dosadnim nagoveštajima empirijskih pravila, koja su u budućnosti Newtona trebala dovesti do racionalnog oblika." Kepler nije mogao objasniti zašto postoje eliptične orbite, ali se divio činjenici da one postoje.

Na osnovu Keplerovog trećeg zakona, Newton je zaključio da sile privlačenja moraju opadati sa povećanjem udaljenosti, a da se privlačnost mora mijenjati kao (udaljenost) -2. Otkrivajući zakon univerzalne gravitacije, Newton je prenio jednostavnu ideju o kretanju Mjeseca na cijeli planetarni sistem. Pokazao je da privlačnost, prema zakonima koje je izveo, određuje kretanje planeta po eliptičnim orbitama, a Sunce bi trebalo da bude u jednom od žarišta elipse. Bio je u stanju da lako izvede još dva Keplerova zakona, koji također proizlaze iz njegove hipoteze o univerzalnoj gravitaciji. Ovi zakoni vrijede ako se uzme u obzir samo privlačnost Sunca. Ali mora se uzeti u obzir i uticaj drugih planeta na planetu koja se kreće, iako su u Sunčevom sistemu ove privlačnosti male u poređenju sa privlačenjem sunca.

Keplerov drugi zakon proizilazi iz proizvoljne zavisnosti sile privlačenja od udaljenosti, ako ova sila djeluje duž prave linije koja povezuje centre planete i Sunca. Ali Keplerov prvi i treći zakon zadovoljava samo zakon obrnute proporcionalnosti sila privlačenja na kvadrat udaljenosti.

Da bi dobio Keplerov treći zakon, Newton je jednostavno kombinovao zakone kretanja sa zakonom univerzalne gravitacije. Za slučaj kružnih orbita, može se raspravljati na sljedeći način: neka se planeta s masom jednakom m kreće brzinom v duž kruga polumjera R oko Sunca, čija je masa jednaka M. Ovo kretanje se može izvesti samo ako na planetu F = mv 2 /R djeluje vanjska sila, koja stvara centripetalno ubrzanje v 2 /R. Pretpostavimo da privlačenje između Sunca i planete samo stvara potrebnu silu. onda:

GMm/r 2 = mv 2 /R

a udaljenost r između m i M jednaka je poluprečniku orbite R. Ali brzina

gdje je T vrijeme potrebno planeti da napravi jednu revoluciju. Onda

Da biste dobili Keplerov treći zakon, morate premjestiti sve R i T na jednu stranu jednačine, a sve ostale količine na drugu:

R 3 /T 2 \u003d GM / 4 2

Ako sada pređemo na drugu planetu sa drugačijim orbitalnim radijusom i periodom okretanja, tada će novi odnos ponovo biti jednak GM/4 2 ; ova vrijednost će biti ista za sve planete, pošto je G univerzalna konstanta, a masa M je ista za sve planete koje se okreću oko Sunca. Dakle, vrijednost R 3 /T 2 će biti ista za sve planete u skladu sa trećim Keplerovim zakonom. Ovaj proračun vam omogućava da dobijete treći zakon za eliptične orbite, ali u ovom slučaju R je prosječna vrijednost između najveće i najmanje udaljenosti planete od Sunca.

Naoružan moćnim matematičkim metodama i vođen odličnom intuicijom, Newton je svoju teoriju primijenio na veliki broj problema uključenih u njegovu PRINCIPI o karakteristikama Mjeseca, Zemlje, drugih planeta i njihovog kretanja, kao i drugih nebeskih tijela: satelita, kometa.

Mjesec doživljava brojne perturbacije koje ga odstupaju od ravnomjernog kružnog kretanja. Prije svega, kreće se duž Keplerove elipse, u čijem je jednom od fokusa Zemlja, kao i svaki satelit. Ali ova orbita doživljava male varijacije zbog privlačenja Sunca. U mladom mjesecu, mjesec je bliži suncu od punog mjeseca, koji se pojavljuje dvije sedmice kasnije; ovaj uzrok mijenja privlačnost, što dovodi do usporavanja i ubrzavanja kretanja mjeseca tokom mjeseca. Ovaj efekat se povećava kada je Sunce bliže zimi, tako da se uočavaju i godišnje varijacije u brzini Meseca. Osim toga, promjene u solarnoj privlačnosti mijenjaju eliptičnost mjesečeve orbite; lunarna orbita odstupa gore-dolje, ravan orbite polako rotira. Tako je Newton pokazao da su uočene nepravilnosti u kretanju Mjeseca uzrokovane univerzalnom gravitacijom. Problem solarne privlačnosti nije razradio u svim detaljima, kretanje Mjeseca je ostalo složen problem, koji se sve više detalja razvija do danas.

Morske oseke dugo su ostale misterija, što bi se, čini se, moglo objasniti utvrđivanjem njihove veze s kretanjem Mjeseca. Međutim, ljudi su vjerovali da takva veza zapravo ne može postojati, a čak je i Galileo ismijavao ovu ideju. Njutn je pokazao da su oseke i oseke posledica neravnomernog privlačenja vode u okeanu sa strane Meseca. Centar lunarne orbite se ne poklapa sa centrom Zemlje. Mjesec i Zemlja zajedno se okreću oko zajedničkog centra mase. Ovaj centar mase nalazi se na udaljenosti od oko 4800 km od centra Zemlje, samo 1600 km od Zemljine površine. Kada Zemlja vuče Mesec, Mesec vuče Zemlju jednakom i suprotnom silom, usled čega nastaje sila Mv 2 /r, zbog čega se Zemlja kreće oko zajedničkog centra mase sa periodom od jednog meseca. . Jače se privlači dio okeana najbliži Mjesecu (bliži je), voda se diže - i nastaje plima. Dio okeana koji se nalazi na većoj udaljenosti od Mjeseca privlači se slabije od kopna, a u ovom dijelu okeana izdiže se i vodena grba. Dakle, postoje dvije plime u 24 sata. Sunce takođe izaziva plimu, mada ne tako jaku, jer velika udaljenost od sunca izglađuje neravnomernost privlačenja.

Newton je otkrio prirodu kometa - ovih gostiju Sunčevog sistema, koji su oduvijek izazivali interesovanje, pa čak i sveti užas. Njutn je pokazao da se komete kreću po veoma izduženim eliptičnim orbitama, sa Suncem u vodenom fokusu. Njihovo kretanje je određeno, kao i kretanje planeta, gravitacijom. Ali imaju veoma malu magnitudu, tako da se mogu videti samo kada prođu blizu Sunca. Eliptična orbita komete može se izmjeriti, a vrijeme njenog povratka u naše područje može se precizno predvidjeti. Njihov redovni povratak na predviđene datume omogućava nam da potvrdimo naša zapažanja i pruža još jednu potvrdu zakona univerzalne gravitacije.

U nekim slučajevima kometa doživljava snažnu gravitacionu perturbaciju, prolazeći u blizini velikih planeta, i kreće se u novu orbitu sa drugačijim periodom. Zbog toga znamo da komete imaju malu masu: planete utiču na njihovo kretanje, a komete ne utiču na kretanje planeta, iako na njih deluju istom silom.

Komete se kreću tako brzo i dolaze tako rijetko da naučnici još uvijek čekaju trenutak kada se moderna sredstva mogu primijeniti na proučavanje velike komete.

Ako razmislite kakvu ulogu igraju sile gravitacije u životu naše planete, onda se otvaraju čitavi okeani fenomena, pa čak i okeani u doslovnom smislu riječi: okeani vode, okeani zraka. Bez gravitacije ne bi postojale.

Gravitacija, također poznata kao privlačenje ili gravitacija, je univerzalno svojstvo materije koje posjeduju svi objekti i tijela u Univerzumu. Suština gravitacije je da sva materijalna tijela privlače k sebi sva druga tijela koja su oko sebe.

Gravitacija

Ako je gravitacija opći koncept i kvalitet koji posjeduju svi objekti u svemiru, onda je Zemljina privlačnost poseban slučaj ovog sveobuhvatnog fenomena. Zemlja privlači k sebi sve materijalne objekte koji se nalaze na njoj. Zahvaljujući tome, ljudi i životinje se mogu bezbedno kretati zemljom, rijeke, mora i okeani mogu ostati unutar njihovih obala, a zrak ne može letjeti kroz ogromna prostranstva Kosmosa, već formirati atmosferu naše planete.

Postavlja se pošteno pitanje: ako svi objekti imaju gravitaciju, zašto Zemlja privlači ljude i životinje k sebi, a ne obrnuto? Prvo, i Zemlju privlačimo k sebi, samo što je u odnosu na njenu silu privlačenja, naša gravitacija zanemarljiva. Drugo, sila gravitacije je direktno proporcionalna masi tijela: što je masa tijela manja, to su njegove gravitacijske sile niže.

Drugi pokazatelj o kojem ovisi sila privlačenja je udaljenost između objekata: što je udaljenost veća, to je manji učinak gravitacije. Uključujući i zbog toga, planete se kreću po svojim orbitama i ne padaju jedna na drugu.

Važno je napomenuti da Zemlja, Mjesec, Sunce i druge planete svoj sferni oblik duguju upravo sili gravitacije. Djeluje u smjeru centra, povlačeći prema sebi supstancu koja čini "tijelo" planete.

Zemljino gravitaciono polje

Gravitaciono polje Zemlje je energetsko polje sila koje se formira oko naše planete djelovanjem dvije sile:

gravitacija;
centrifugalne sile, koja svoj izgled duguje rotaciji Zemlje oko svoje ose (dnevna rotacija).

Budući da i gravitacija i centrifugalna sila djeluju konstantno, gravitacijsko polje je također stalna pojava.

Gravitacione sile Sunca, Meseca i nekih drugih nebeskih tela, kao i atmosferske mase Zemlje, imaju neznatan uticaj na polje.

Zakon gravitacije i Sir Isaac Newton

Engleski fizičar, ser Isak Njutn, prema poznatoj legendi, kada je jednom šetao vrtom tokom dana, ugledao je mesec na nebu. U isto vrijeme s grane je pala jabuka. Njutn je tada proučavao zakon kretanja i znao je da jabuka pada pod uticaj gravitacionog polja, a da se Mesec okreće u orbiti oko Zemlje.

A onda je briljantnom naučniku, obasjanom uvidom, pala na pamet misao da možda jabuka pada na zemlju, pokoravajući se istoj sili zbog koje je Mesec u svojoj orbiti, a ne juri nasumično po galaksiji. Tako je otkriven zakon univerzalne gravitacije, poznat i kao Njutnov treći zakon.

Jezikom matematičkih formula ovaj zakon izgleda ovako:

F=GMm/D2 ,

gdje F- sila međusobne gravitacije između dva tijela;

M- masa prvog tijela;

m- masa drugog tijela;

D2- udaljenost između dva tijela;

G- gravitaciona konstanta, jednaka 6,67x10 -11.

Gravitacija je najmoćnija sila u svemiru, jedan od četiri temeljna temelja svemira, koji određuje njegovu strukturu. Jednom su zahvaljujući njoj nastale planete, zvijezde i cijele galaksije. Danas drži Zemlju u orbiti na njenom beskrajnom putovanju oko Sunca.

Privlačnost je od velike važnosti za svakodnevni život osobe. Zahvaljujući ovoj nevidljivoj sili, okeani našeg svijeta pulsiraju, rijeke teku, kapi kiše padaju na zemlju. Od djetinjstva osjećamo težinu svog tijela i okolnih predmeta. Uticaj gravitacije na našu ekonomsku aktivnost je takođe ogroman.

Prvu teoriju gravitacije stvorio je Isak Njutn krajem 17. veka. Njegov zakon univerzalne gravitacije opisuje ovu interakciju u okviru klasične mehanike. Ovu pojavu je opširnije opisao Ajnštajn u svojoj opštoj teoriji relativnosti, koja je objavljena početkom prošlog veka. Procese koji se odvijaju sa silom gravitacije na nivou elementarnih čestica trebalo bi objasniti kvantnom teorijom gravitacije, ali ona tek treba da se stvori.

Danas znamo mnogo više o prirodi gravitacije nego u Njutnovo vreme, ali uprkos vekovima proučavanja, ona i dalje ostaje pravi kamen spoticanja u modernoj fizici. Postoji mnogo bijelih mrlja u postojećoj teoriji gravitacije, a mi još uvijek ne razumijemo tačno šta to generiše i kako se ta interakcija prenosi. I, naravno, veoma smo daleko od toga da možemo da kontrolišemo silu gravitacije, tako da će antigravitacija ili levitacija još dugo postojati samo na stranicama naučnofantastičnih romana.

Šta je Njutnu palo na glavu?

Ljudi su razmišljali o prirodi sile koja privlači predmete na zemlju u svakom trenutku, ali tek je u 17. vijeku Isaac Newton uspio da podigne veo tajne. Osnovu za njegov proboj postavili su radovi Keplera i Galilea, briljantnih naučnika koji su proučavali kretanje nebeskih tijela.

Stoljeće i po prije Njutnovog zakona univerzalne gravitacije, poljski astronom Kopernik vjerovao je da privlačnost nije ništa drugo do prirodna želja koju je otac Univerzuma dao svim česticama, naime, da se ujedine u jednu zajedničku cjelinu, formirajući sferna tijela." Descartes je, s druge strane, smatrao da je privlačnost rezultat perturbacija u svjetskom etru. Grčki filozof i naučnik Aristotel bio je siguran da masa utiče na brzinu pada tela. I tek je Galileo Galilei krajem 16. vijeka dokazao da to nije istina: ako nema otpora zraka, svi objekti jednako ubrzavaju.

Suprotno popularnoj legendi o glavi i jabuci, Njutn je išao da razume prirodu gravitacije više od dvadeset godina. Njegov zakon gravitacije jedno je od najznačajnijih naučnih otkrića svih vremena. On je univerzalan i omogućava vam da izračunate putanje nebeskih tijela i precizno opisuje ponašanje objekata oko nas. Klasična teorija gravitacije postavila je temelje nebeske mehanike. Njutnova tri zakona dala su naučnicima priliku da otkriju nove planete bukvalno "na vrhu pera", na kraju je, zahvaljujući njima, čovek uspeo da savlada zemljinu gravitaciju i odleti u svemir. Oni su saželi strogu naučnu osnovu za filozofski koncept materijalnog jedinstva univerzuma, u kojem su sve prirodne pojave međusobno povezane i kontrolisane zajedničkim fizičkim pravilima.

Newton ne samo da je objavio formulu koja vam omogućava da izračunate kolika je sila koja privlači tijela jedno prema drugom, već je stvorio holistički model, koji je uključivao i matematičku analizu. Ovi teorijski zaključci su više puta potvrđeni u praksi, uključujući i uz pomoć najsavremenijih metoda.

U Njutnovskoj teoriji, bilo koji materijalni objekat stvara privlačno polje, koje se naziva gravitaciono. Štaviše, sila je proporcionalna masi oba tijela i obrnuto proporcionalna udaljenosti između njih:

F = (G m1 m2)/r2

G je gravitaciona konstanta, koja je jednaka 6,67 × 10−11 m³ / (kg s²). Henry Cavendish je to prvi izračunao 1798.

U svakodnevnom životu i primijenjenim disciplinama o sili kojom zemlja vuče tijelo govori se kao o njegovoj težini. Privlačnost između bilo koja dva materijalna objekta u svemiru je ono što je gravitacija jednostavnim riječima.

Sila privlačenja je najslabija od četiri fundamentalne interakcije fizike, ali zbog svojih osobina može regulirati kretanje zvjezdanih sistema i galaksija:

Privlačenje djeluje na bilo kojoj udaljenosti, to je glavna razlika između gravitacije i jake i slabe nuklearne interakcije. Sa povećanjem udaljenosti, njegov efekat se smanjuje, ali nikada ne postaje jednak nuli, pa možemo reći da čak i dva atoma koja se nalaze na različitim krajevima galaksije vrše međusobni uticaj. Samo je vrlo mali;
Gravitacija je univerzalna. Polje privlačnosti svojstveno je svakom materijalnom tijelu. Naučnici još nisu otkrili objekat na našoj planeti ili u svemiru koji ne bi učestvovao u ovakvoj interakciji, tako da je uloga gravitacije u životu Univerzuma ogromna. Po tome se gravitacija razlikuje od elektromagnetne interakcije, čiji je utjecaj na kosmičke procese minimalan, jer je u prirodi većina tijela električno neutralna. Gravitacijske sile ne mogu biti ograničene ili zaštićene;
Gravitacija ne djeluje samo na materiju, već i na energiju. Za njega hemijski sastav objekata nije bitan, samo njihova masa igra ulogu.

Koristeći Newtonovu formulu, sila privlačenja može se lako izračunati. Na primjer, gravitacija na Mjesecu je nekoliko puta manja nego na Zemlji, jer naš satelit ima relativno malu masu. Ali to je dovoljno za formiranje pravilne plime i oseke u Svjetskom okeanu. Na Zemlji, ubrzanje slobodnog pada iznosi oko 9,81 m/s2. Štaviše, na polovima je nešto veći nego na ekvatoru.

Uprkos velikom značaju za dalji razvoj nauke, Njutnovi zakoni su imali niz slabih tačaka koje su proganjale istraživače. Nije bilo jasno kako gravitacija djeluje kroz apsolutno prazan prostor na ogromnim udaljenostima, i to neshvatljivom brzinom. Osim toga, postepeno su se počeli gomilati podaci koji su bili u suprotnosti s Newtonovim zakonima: na primjer, gravitacijski paradoks ili pomicanje Merkurovog perihela. Postalo je očigledno da teoriju univerzalne gravitacije treba poboljšati. Ova čast pripala je briljantnom njemačkom fizičaru Albertu Ajnštajnu.

Privlačnost i relativnost

Njutnovo odbijanje da raspravlja o prirodi gravitacije ("Ne postavljam hipoteze") bila je očigledna slabost u njegovom konceptu. Nije iznenađujuće da su se mnoge teorije gravitacije pojavile u godinama koje su uslijedile.

Većina njih pripadala je takozvanim hidrodinamičkim modelima, koji su pokušavali opravdati pojavu gravitacije mehaničkom interakcijom materijalnih objekata s nekom međusupstancom koja ima određena svojstva. Istraživači su to nazivali drugačije: "vakum", "etar", "tok gravitona" itd. U ovom slučaju, sila privlačenja između tijela nastala je kao rezultat promjene ove tvari, kada su je apsorbirali predmeti ili su je prosijali tokovi. U stvarnosti, sve takve teorije imale su jedan ozbiljan nedostatak: prilično precizno predviđajući ovisnost gravitacijske sile o udaljenosti, trebalo je da dovedu do usporavanja tijela koja su se kretala u odnosu na "eter" ili "gravitonski tok".

Ajnštajn je ovom pitanju pristupio iz drugačijeg ugla. U njegovoj općoj teoriji relativnosti (GR), gravitacija se ne vidi kao interakcija sila, već kao svojstvo samog prostora-vremena. Svaki predmet koji ima masu uzrokuje savijanje, što uzrokuje privlačnost. U ovom slučaju, gravitacija je geometrijski efekat, koji se razmatra u okviru neeuklidske geometrije.

Jednostavno rečeno, prostor-vremenski kontinuum utiče na materiju, uzrokujući njeno kretanje. A to zauzvrat utječe na prostor, "ukazujući" mu kako se savijati.

Sile privlačenja djeluju i u mikrokosmosu, ali na nivou elementarnih čestica njihov je utjecaj, u poređenju sa elektrostatičkom interakcijom, zanemarljiv. Fizičari smatraju da gravitaciona interakcija nije bila inferiorna u odnosu na ostale u prvim trenucima (10 -43 sekunde) nakon Velikog praska.

Trenutno je koncept gravitacije, predložen u općoj teoriji relativnosti, glavna radna hipoteza prihvaćena od strane većine naučne zajednice i potvrđena rezultatima brojnih eksperimenata.

Ajnštajn je u svom radu predvideo neverovatne efekte gravitacionih sila, od kojih je većina već potvrđena. Na primjer, sposobnost masivnih tijela da savijaju svjetlosne zrake i čak usporavaju protok vremena. Potonji fenomen se nužno uzima u obzir u radu globalnih satelitskih navigacijskih sistema kao što su GLONASS i GPS, inače bi nakon nekoliko dana njihova greška iznosila desetine kilometara.

Osim toga, posljedica Ajnštajnove teorije su takozvani suptilni efekti gravitacije, kao što su gravimagnetno polje i otpor inercijalnih referentnih okvira (poznatiji kao Lens-Thiringov efekat). Ove manifestacije gravitacije su toliko slabe da se dugo vremena nisu mogle otkriti. Tek 2005. godine, zahvaljujući NASA-inoj jedinstvenoj misiji Gravity Probe B, potvrđen je efekat Lense-Thirringa.

Gravitacijsko zračenje ili najosnovnije otkriće posljednjih godina

Gravitacijski valovi su fluktuacije u geometrijskoj strukturi prostor-vreme koje se šire brzinom svjetlosti. Postojanje ovog fenomena je predvidio i Ajnštajn u opštoj relativnosti, ali zbog slabosti gravitacione sile, njegova veličina je veoma mala, pa se dugo nije mogla detektovati. Samo indirektni dokazi govore u prilog postojanju radijacije.

Takvi valovi stvaraju sve materijalne objekte koji se kreću asimetričnim ubrzanjem. Naučnici ih opisuju kao "mrebanje prostor-vremena". Najmoćniji izvori takvog zračenja su galaksije koje se sudaraju i sistemi u kolapsu koji se sastoje od dva objekta. Tipičan primjer potonjeg slučaja je spajanje crnih rupa ili neutronskih zvijezda. U takvim procesima gravitaciono zračenje može proći više od 50% ukupne mase sistema.

Gravitacioni talasi su prvi put otkriveni 2015. godine od strane dve LIGO opservatorije. Gotovo odmah, ovaj događaj je dobio status najvećeg otkrića u fizici u posljednjih nekoliko decenija. 2017. godine dobio je Nobelovu nagradu. Nakon toga, naučnici su uspjeli još nekoliko puta otkriti gravitaciono zračenje.

Još 70-ih godina prošlog stoljeća - mnogo prije eksperimentalne potvrde - naučnici su predložili korištenje gravitacionog zračenja za komunikaciju na daljinu. Njegova nesumnjiva prednost je njegova visoka sposobnost prolaska kroz bilo koju supstancu bez apsorpcije. Ali trenutno je to teško moguće, jer postoje velike poteškoće u stvaranju i primanju ovih talasa. Da, i mi još uvijek nemamo dovoljno pravog znanja o prirodi gravitacije.

Danas u različitim zemljama svijeta radi nekoliko instalacija sličnih LIGO-u, a grade se i nove. Vjerovatno ćemo u bliskoj budućnosti naučiti više o gravitacijskom zračenju.

Alternativne teorije univerzalne gravitacije i razlozi njihovog nastanka

Trenutno, dominantan koncept gravitacije je opšta teorija relativnosti. Čitav postojeći niz eksperimentalnih podataka i zapažanja je u skladu s tim. Istovremeno, ima veliki broj iskreno slabih i kontroverznih tačaka, pa pokušaji stvaranja novih modela koji objašnjavaju prirodu gravitacije ne prestaju.

Sve do sada razvijene teorije univerzalne gravitacije mogu se podijeliti u nekoliko glavnih grupa:

standard;
alternativa;
kvantni;
jedinstvena teorija polja.

Pokušaji da se stvori novi koncept univerzalne gravitacije napravljeni su još u 19. veku. Razni autori su u njega uključivali etar ili korpuskularnu teoriju svjetlosti. Ali pojava opšte teorije relativnosti stavila je tačku na ova istraživanja. Nakon njegovog objavljivanja, cilj naučnika se promijenio - sada su njihovi napori bili usmjereni na poboljšanje Einsteinovog modela, uključujući nove prirodne pojave u njemu: okretanje čestica, širenje svemira itd.

Do početka 1980-ih, fizičari su eksperimentalno odbacili sve koncepte, osim onih koji su uključivali opštu relativnost kao sastavni dio. U to vrijeme u modu su ušle "teorije struna", koje su izgledale vrlo obećavajuće. Ali eksperimentalna potvrda ovih hipoteza nije pronađena. Tokom proteklih decenija, nauka je dostigla značajne visine i akumulirala je ogroman niz empirijskih podataka. Danas su pokušaji stvaranja alternativnih teorija gravitacije inspirisani uglavnom kosmološkim studijama vezanim za koncepte kao što su "tamna materija", "inflacija", "tamna energija".

Jedan od glavnih zadataka moderne fizike je ujedinjenje dva fundamentalna pravca: kvantne teorije i opšte teorije relativnosti. Naučnici nastoje povezati privlačnost s drugim vrstama interakcija, stvarajući tako "teoriju svega". To je upravo ono što radi kvantna gravitacija, grana fizike koja pokušava dati kvantni opis gravitacijske interakcije. Izdanak ovog smjera je teorija gravitacije petlje.

Unatoč aktivnim i dugoročnim naporima, ovaj cilj još uvijek nije ostvaren. I nije čak ni u složenosti ovog problema: već samo u tome što se kvantna teorija i opšta relativnost zasnivaju na potpuno različitim paradigmama. Kvantna mehanika se bavi fizičkim sistemima koji rade u pozadini običnog prostor-vremena. A u teoriji relativnosti, sam prostor-vrijeme je dinamička komponenta koja zavisi od parametara klasičnih sistema koji se u njemu nalaze.

Uz naučne hipoteze o univerzalnoj gravitaciji, postoje teorije koje su veoma daleko od moderne fizike. Nažalost, posljednjih godina ovakvi "opusi" jednostavno su preplavili internet i police knjižara. Neki autori ovakvih dela generalno obaveštavaju čitaoca da gravitacija ne postoji, a zakoni Njutna i Ajnštajna su izmišljotine i varke.

Primer je rad "naučnika" Nikolaja Levašova, koji tvrdi da Njutn nije otkrio zakon univerzalne gravitacije, a gravitacionu silu u Sunčevom sistemu imaju samo planete i naš satelit Mesec. Dokazi koje je dao ovaj "ruski naučnik" su prilično čudni. Jedan od njih je let američke sonde NEAR Shoemaker do asteroida Eros, koji se dogodio 2000. godine. Levashov smatra nedostatak privlačnosti između sonde i nebeskog tijela dokazom lažnosti Newtonovih radova i zavjere fizičara koji skrivaju istinu o gravitaciji od ljudi.

U stvari, letjelica je uspješno završila svoju misiju: prvo je ušla u orbitu asteroida, a zatim je izvršila meko sletanje na njegovu površinu.

Vještačka gravitacija i čemu služi

Postoje dva koncepta povezana sa gravitacijom koja su, uprkos svom trenutnom teorijskom statusu, dobro poznata široj javnosti. To su antigravitacija i umjetna gravitacija.

Antigravitacija je proces suprotstavljanja sili privlačenja, koji je može značajno smanjiti ili čak zamijeniti odbojnošću. Ovladavanje takvom tehnologijom dovelo bi do prave revolucije u transportu, avijaciji, istraživanju svemira i radikalno promijenilo cijeli naš život. Ali trenutno mogućnost antigravitacije nema čak ni teorijsku potvrdu. Štaviše, polazeći od opšte teorije relativnosti, takav fenomen uopće nije izvodljiv, jer u našem svemiru ne može postojati negativna masa. Moguće je da ćemo u budućnosti naučiti više o gravitaciji i naučiti kako da napravimo avion na osnovu ovog principa.

Umjetna gravitacija je promjena postojeće sile gravitacije koju je napravio čovjek. Danas nam takva tehnologija baš i nije potrebna, ali situacija će se definitivno promijeniti nakon početka dugoročnih svemirskih putovanja. I to ima veze sa našom fiziologijom. Ljudsko tijelo, "naviknuto" milionima godina evolucije na stalnu gravitaciju Zemlje, izuzetno negativno doživljava utjecaj smanjene gravitacije. Dug boravak čak iu uslovima lunarne gravitacije (šest puta slabije od zemlje) može dovesti do tužnih posljedica. Iluzija privlačnosti može se stvoriti korištenjem drugih fizičkih sila, kao što je inercija. Međutim, ove opcije su složene i skupe. Trenutno umjetna gravitacija nema ni teorijska opravdanja, očito je da je njena moguća praktična implementacija stvar vrlo daleke budućnosti.

Gravitacija je koncept poznat svima još od škole. Čini se da su naučnici trebali temeljno da istraže ovaj fenomen! Ali gravitacija ostaje najdublja misterija moderne nauke. I ovo se može nazvati odličnim primjerom koliko je ograničeno ljudsko znanje o našem ogromnom i divnom svijetu.

Ako imate bilo kakvih pitanja - ostavite ih u komentarima ispod članka. Mi ili naši posjetioci rado ćemo im odgovoriti.

Živimo na Zemlji, krećemo se njenom površinom, kao uz rub neke stenovite litice koja se uzdiže iznad ponora bez dna. Na ovoj ivici ponora nas drži samo ono što utiče na nas. zemljina gravitacija; ne padamo sa površine zemlje samo zato što imamo, kako kažu, neku određenu težinu. Odmah bismo poletjeli s ove "litice" i brzo poletjeli u ponor svemira kada bi sila gravitacije naše planete iznenada prestala djelovati. Beskrajno bismo jurili u ponoru svetskog prostora, ne znajući ni gore ni dole.

Zemljina lokomocija

Njegovo kretanja na zemlji i mi to dugujemo gravitaciji. Hodamo Zemljom i neprestano savladavamo otpor ove sile, osjećajući njeno djelovanje, kao neko teško opterećenje na našim nogama. To se "opterećenje" posebno osjeti prilikom penjanja na planinu, kada ga morate vući, kao nekakav teg koji vam visi sa nogu. Ništa manje oštro utječe na spuštanje s planine, tjerajući nas da ubrzamo korake. Prevazilaženje sile gravitacije pri kretanju po Zemlji. Ovi pravci - "gore" i "dole" - ukazuju nam samo gravitacijom. Na svim tačkama na zemljinoj površini, usmjerena je gotovo do centra Zemlje. Stoga će koncepti "dno" i "vrh" biti dijametralno suprotni za takozvane antipode, odnosno ljude koji žive na dijametralno suprotnim dijelovima Zemljine površine. Na primjer, pravac koji za one koji žive u Moskvi pokazuje "dolje", za stanovnike Ognjene zemlje pokazuje "gore". Smjerovi koji pokazuju "dolje" za ljude na polu i na ekvatoru čine pravi ugao; one su okomite jedna na drugu. Izvan Zemlje, pri udaljavanju od nje, sila gravitacije se smanjuje, jer se sila privlačenja smanjuje (sila privlačenja Zemlje, kao i bilo koje drugo svjetsko tijelo, proteže se beskonačno daleko u svemiru), a centrifugalna sila raste , što smanjuje silu gravitacije. Stoga, što više podignemo neki teret, na primjer, u balonu, to će manje težiti ovaj teret.

Zemljina centrifugalna sila

Zbog dnevne rotacije, centrifugalne sile zemlje. Ova sila djeluje svuda na površini Zemlje u smjeru okomitom na Zemljinu osu i dalje od nje. Centrifugalna sila mali u poređenju sa gravitacija. Na ekvatoru dostiže svoju najveću vrijednost. Ali čak i ovdje, prema Newtonovim proračunima, centrifugalna sila iznosi samo 1/289 sile privlačenja. Što je sjevernije od ekvatora, centrifugalna sila je manja. Na samom polu je nula.

Djelovanje centrifugalne sile Zemlje. Na nekoj visini centrifugalna silaće se povećati toliko da će biti jednaka sili privlačenja, a sila gravitacije će prvo postati jednaka nuli, a zatim će, sa povećanjem udaljenosti od Zemlje, poprimiti negativnu vrijednost i kontinuirano će rasti, usmjeravajući se u suprotnom smeru u odnosu na Zemlju.

Gravitacija

Rezultirajuća sila Zemljinog privlačenja i centrifugalna sila se nazivaju gravitacija. Sila gravitacije u svim tačkama na zemljinoj površini bila bi ista da je naša savršeno tačna i pravilna lopta, da je njena masa svuda iste gustine i, konačno, da nema dnevne rotacije oko ose. Ali, pošto naša Zemlja nije obična lopta, ne sastoji se od stijena iste gustine u svim svojim dijelovima i rotira se cijelo vrijeme, dakle, gravitacija u svakoj tački na zemljinoj površini je malo drugačija. Dakle, na svakoj tački na površini zemlje veličina gravitacije zavisi od veličine centrifugalne sile, koja smanjuje silu privlačenja, od gustine zemljanih stena i udaljenosti od centra zemlje. Što je ova udaljenost veća, to je manja gravitacija. Poluprečniki Zemlje, koji se na jednom kraju, takoreći, naslanjaju na Zemljin ekvator, najveći su. Polumjeri koji imaju tačku sjevernog ili južnog pola kao kraj su najmanji. Dakle, sva tijela na ekvatoru imaju manju gravitaciju (manju težinu) nego na polu. To je poznato gravitacija je veća na polu nego na ekvatoru za 1/289. Ova razlika u gravitaciji istih tijela na ekvatoru i na polu može se naći vaganjem s opružnom vage. Ako vagamo tijela na vagi s utezima, onda tu razliku nećemo primijetiti. Vaga će pokazati istu težinu i na polu i na ekvatoru; težine, kao i tijela koja se vagaju, također će, naravno, promijeniti težinu.

Opružne vage kao način mjerenja gravitacije na ekvatoru i na polu. Pretpostavimo da je brod s teretom težak u polarnim područjima, blizu pola, oko 289 hiljada tona. Po dolasku u luke blizu ekvatora, brod s teretom će biti težak samo oko 288.000 tona. Tako je na ekvatoru brod izgubio oko hiljadu tona težine. Sva tijela se drže na površini zemlje samo zbog činjenice da na njih djeluje gravitacija. Ujutro, ustajući iz kreveta, možete spustiti stopala na pod samo zato što ih ta sila vuče na dole.

Gravitacija unutar Zemlje

Hajde da vidimo kako se menja gravitacije unutar zemlje. Kako ulazimo dublje u Zemlju, sila gravitacije kontinuirano raste do određene dubine. Na dubini od oko hiljadu kilometara gravitacija će imati maksimalnu (najveću) vrijednost i porasti će u odnosu na svoju prosječnu vrijednost na zemljinoj površini (9,81 m/s) za približno pet posto. Daljnjim produbljivanjem, sila gravitacije će se kontinuirano smanjivati i u centru Zemlje će biti jednaka nuli.

Pretpostavke o rotaciji Zemlje

Naš zemlja se okreće napravi potpuni okret oko svoje ose za 24 sata. Poznato je da centrifugalna sila raste proporcionalno kvadratu ugaone brzine. Dakle, ako Zemlja ubrza svoju rotaciju oko svoje ose 17 puta, tada će se centrifugalna sila povećati 17 puta na kvadrat, odnosno 289 puta. U normalnim uslovima, kao što je gore pomenuto, centrifugalna sila na ekvatoru iznosi 1/289 sile gravitacije. Sa povećanjem 17 puta sila privlačenja i centrifugalna sila su izjednačene. Sila gravitacije - rezultanta ove dvije sile - s takvim povećanjem brzine aksijalne rotacije Zemlje bit će jednaka nuli.

Vrijednost centrifugalne sile tokom rotacije Zemlje. Ova brzina rotacije Zemlje oko svoje ose naziva se kritičnom, jer bi pri takvoj brzini rotacije naše planete sva tijela na ekvatoru izgubila na težini. Trajanje dana u ovom kritičnom slučaju će biti otprilike 1 sat i 25 minuta. Daljnjim ubrzanjem Zemljine rotacije, sva tijela (prvenstveno na ekvatoru) će prvo izgubiti na težini, a zatim će ih centrifugalna sila izbaciti u svemir, a sama Zemlja će se istom silom rastrgnuti. Naš zaključak bi bio tačan da je Zemlja apsolutno čvrsto tijelo i da, ubrzavajući svoje rotacijsko kretanje, ne bi promijenila svoj oblik, drugim riječima, kada bi polumjer Zemljinog ekvatora zadržao svoju vrijednost. Ali poznato je da će sa ubrzanjem Zemljine rotacije, njena površina morati da doživi neku deformaciju: počeće da se skuplja u pravcu polova i širi u pravcu ekvatora; poprimiće sve spljošteniji izgled. Duljina polumjera Zemljinog ekvatora tada će početi da raste i time povećava centrifugalnu silu. Tako će tijela na ekvatoru izgubiti svoju gravitaciju prije nego što se brzina Zemljine rotacije poveća za 17 puta, a katastrofa sa Zemljom će doći prije nego što će dan smanjiti svoje trajanje na 1 sat i 25 minuta. Drugim riječima, kritična brzina Zemljine rotacije bit će nešto manja, a maksimalna dužina dana nešto duža. Zamislite mentalno da će se brzina Zemljine rotacije, iz nepoznatih razloga, približiti kritičnoj. Šta će tada biti sa stanovnicima Zemlje? Prije svega, svugdje na Zemlji će dan trajati, na primjer, oko dva ili tri sata. Dan i noć će se mijenjati kaleidoskopski brzo. Sunce će se, kao u planetarijumu, vrlo brzo kretati po nebu, a čim se probudite i umijete, ono će već nestati iza horizonta, a noć će ga zamijeniti. Ljudi se više neće precizno kretati u vremenu. Niko neće znati koji je dan u mjesecu i koji je dan u sedmici. Normalan ljudski život će biti dezorganizovan. Satovi sa klatnom će usporiti, a zatim stati svuda. Hodaju jer na njih djeluje gravitacija. Uostalom, u našem svakodnevnom životu, kada „šetači“ počnu zaostajati ili juriti, potrebno je njihovo klatno skratiti ili produžiti, ili čak okačiti neki dodatni uteg na klatno. Tijela na ekvatoru će izgubiti težinu. U ovim zamišljenim uslovima biće lako podići veoma teška tela. Neće vam biti teško na rame ponijeti konja, slona ili čak podići cijelu kuću. Ptice će izgubiti sposobnost sletanja. Evo jata vrabaca koji kruže nad koritom s vodom. Cvrkuću glasno, ali ne mogu da se spuste. Šaka žita koju je bacio visila bi nad Zemljom u odvojenim zrncima. Neka se, dalje, brzina rotacije Zemlje sve više približava kritičnoj. Naša planeta je snažno deformisana i poprima sve spljošteniji izgled. Uspoređuje se sa vrtuljkom koji se brzo okreće i prijeti da izbaci svoje stanovnike. Reke će tada prestati da teče. Biće to duge stajaće močvare. Ogromni oceanski brodovi jedva će dnom dodirnuti površinu vode, podmornice neće moći zaroniti u morske dubine, ribe i morske životinje će plivati po površini mora i okeana, više neće moći da se sakriju u morskim dubinama. Mornari se više neće moći sidriti, neće više posjedovati kormila svojih brodova, veliki i mali brodovi će stajati nepomično. Evo još jedne zamišljene slike. Putnički voz stoji na stanici. Zviždaljka je već odsvirana; voz mora krenuti. Vozač je preduzeo sve potrebne mjere. Ložač velikodušno baca ugalj u peć. Velike varnice lete iz dimnjaka parne lokomotive. Točkovi se očajnički okreću. Ali lokomotiva miruje. Njegovi točkovi ne dodiruju šine i između njih nema trenja. Doći će trenutak kada ljudi neće moći da se spuste na pod; lepiće se kao muve za plafon. Neka brzina rotacije Zemlje raste. Centrifugalna sila je sve superiornija po svojoj veličini sili privlačenja... Tada će ljudi, životinje, kućni predmeti, kuće, svi predmeti na Zemlji, cijeli njen životinjski svijet biti bačeni u svjetski prostor. Australijski kontinent će se odvojiti od Zemlje i visjeti u svemiru poput kolosalnog crnog oblaka. Afrika će odletjeti u dubine tihog ponora, daleko od Zemlje. Vode Indijskog okeana pretvorit će se u ogroman broj sfernih kapi i također će odletjeti u bezgranične daljine. Sredozemno more, koje još nije imalo vremena da se pretvori u divovske nakupine kapi, odvojit će se od dna cijelom svojom debljinom vode, duž koje će se moći slobodno proći od Napulja do Alžira. Konačno, brzina rotacije će se toliko povećati, centrifugalna sila će se toliko povećati da će se cela Zemlja raspasti. Međutim, ni to se ne može dogoditi. Brzina Zemljine rotacije, kao što smo rekli gore, ne raste, već naprotiv, čak se malo smanjuje - međutim, toliko je mala da se, kao što već znamo, za 50 hiljada godina trajanje dana povećava za samo jednu sekundu. Drugim riječima, Zemlja se sada okreće takvom brzinom koja je neophodna da bi flora i fauna naše planete procvjetala pod kaloričnim, životvornim zracima Sunca mnogo milenijuma.

Vrijednost trenja

Da vidimo sad šta trenje je bitno i šta bi se desilo da ga nema. Trenje, kao što znamo, štetno djeluje na našu odjeću: kaputi prvo troše rukave, a čizme potplate, jer su rukavi i đonovi najpodložniji trenju. Ali zamislite na trenutak da je površina naše planete takoreći dobro uglačana, savršeno glatka, a mogućnost trenja bi bila isključena. Možemo li hodati po takvoj površini? Naravno da ne. Svi znaju da je čak i po ledu i po utrljanom podu veoma teško hodati i da morate paziti da ne padnete. Ali površina leda i protrljani pod još uvijek imaju malo trenja.

Sila trenja na ledu. Kada bi sila trenja nestala na površini Zemlje, tada bi na našoj planeti zauvijek vladao neopisivi haos. Ako nema trenja, more će besneti zauvek i oluja nikada neće popustiti. Pješčani tornada neće prestati visjeti nad Zemljom, a vjetar će stalno duvati. Melodični zvuci klavira, violine i strašna rika grabežljivih životinja će se mešati i širiti beskrajno u vazduhu. U nedostatku trenja, tijelo u pokretu nikada ne bi stalo. Na apsolutno glatkoj zemljinoj površini, različita tijela i objekti zauvijek bi se miješali u raznim smjerovima. Smiješan i tragičan bio bi svijet Zemlje, da nema trenja i privlačenja Zemlje.

Obi-Wan Kenobi je rekao da snaga drži galaksiju na okupu. Isto se može reći i za gravitaciju. Činjenica je da nam gravitacija omogućava da hodamo po Zemlji, Zemlji da se okreće oko Sunca, a Suncu da se okreće oko supermasivne crne rupe u centru naše galaksije. Kako razumjeti gravitaciju? O tome - u našem članku.

Recimo odmah da ovdje nećete naći nedvosmisleno tačan odgovor na pitanje "Šta je gravitacija". Jer jednostavno ne postoji! Gravitacija je jedan od najmisterioznijih fenomena nad kojim naučnici zbunjuju i još uvijek ne mogu u potpunosti objasniti njegovu prirodu.

Postoji mnogo hipoteza i mišljenja. Postoji više od desetak teorija gravitacije, alternativnih i klasičnih. Razmotrit ćemo najzanimljivije, najrelevantnije i modernije.

Želite više korisnih informacija i svježih vijesti svaki dan? Pridružite nam se na telegramu.

Gravitacija je fizička fundamentalna interakcija

Postoje 4 fundamentalne interakcije u fizici. Zahvaljujući njima, svijet je upravo takav kakav jeste. Gravitacija je jedna od ovih sila.

Osnovne interakcije:

gravitacija;
elektromagnetizam;
jaka interakcija;
slaba interakcija.

Gravitacija je najslabija od četiri fundamentalne sile.

Trenutno, trenutna teorija koja opisuje gravitaciju je GR (opšta teorija relativnosti). Predložio ga je Albert Ajnštajn 1915-1916.

Međutim, znamo da je još rano govoriti o konačnoj istini. Na kraju krajeva, nekoliko vekova pre pojave opšte teorije relativnosti u fizici, Njutnova teorija, koja je bila značajno proširena, dominirala je u opisu gravitacije.

Trenutno je nemoguće objasniti i opisati sva pitanja koja se odnose na gravitaciju u okviru opšte teorije relativnosti.

Prije Newtona, vjerovalo se da su gravitacija na Zemlji i nebeska gravitacija različite stvari. Vjerovalo se da se planete kreću po svojim, drugačijim od zemaljskih, idealnim zakonima.

Newton je otkrio zakon univerzalne gravitacije 1667. Naravno, ovaj zakon je postojao još za vrijeme dinosaurusa i mnogo ranije.

Drevni filozofi su razmišljali o postojanju gravitacije. Galileo je eksperimentalno izračunao ubrzanje slobodnog pada na Zemlji, otkrivši da je isto za tijela bilo koje mase. Kepler je proučavao zakone kretanja nebeskih tijela.

Njutn je bio u stanju da formuliše i generalizuje rezultate posmatranja. Evo šta je dobio:

Dva tijela se privlače jedno prema drugom silom koja se zove gravitacijska sila ili gravitacijska sila.

Formula za silu privlačenja između tijela je:

G je gravitaciona konstanta, m je masa tijela, r je udaljenost između centara mase tijela.

Koje je fizičko značenje gravitacione konstante? Jednaka je sili kojom tijela s masom od 1 kilograma djeluju jedno na drugo, na udaljenosti od 1 metar jedno od drugog.

Prema Newtonovoj teoriji, svaki objekt stvara gravitacijsko polje. Tačnost Newtonovog zakona je testirana na udaljenostima manjim od jednog centimetra. Naravno, za male mase ove sile su neznatne i mogu se zanemariti.

Newtonova formula je primjenjiva kako za izračunavanje sile privlačenja planeta prema Suncu, tako i za male objekte. Jednostavno ne primjećujemo silu kojom se, recimo, privlače lopte na bilijarskom stolu. Ipak, ova sila postoji i može se izračunati.

Sila privlačenja djeluje između bilo kojeg tijela u svemiru. Njegov efekat se proteže na bilo koju udaljenost.

Newtonov zakon univerzalne gravitacije ne objašnjava prirodu sile privlačenja, već uspostavlja kvantitativne obrasce. Njutnova teorija nije u suprotnosti sa opštom relativnošću. To je sasvim dovoljno za rješavanje praktičnih zadataka na Zemljinoj skali i za izračunavanje kretanja nebeskih tijela.

Gravitacija u opštoj relativnosti

Unatoč činjenici da je Newtonova teorija prilično primjenjiva u praksi, ona ima niz nedostataka. Zakon univerzalne gravitacije je matematički opis, ali ne daje predstavu o fundamentalnoj fizičkoj prirodi stvari.

Prema Newtonu, sila privlačenja djeluje na bilo kojoj udaljenosti. I djeluje trenutno. S obzirom da je najveća brzina na svijetu brzina svjetlosti, postoji neslaganje. Kako gravitacija može djelovati trenutno na bilo kojoj udaljenosti, kada svjetlosti nije potreban trenutak, već nekoliko sekundi ili čak godina da ih savlada?

U okviru opšte teorije relativnosti, gravitacija se ne posmatra kao sila koja deluje na tela, već kao zakrivljenost prostora i vremena pod uticajem mase. Dakle, gravitacija nije interakcija sila.

Kakav je efekat gravitacije? Pokušajmo to opisati pomoću analogije.

Zamislite prostor kao elastičnu plahtu. Ako na nju stavite laganu tenisku lopticu, površina će ostati ravna. Ali ako stavite tešku težinu pored lopte, ona će gurnuti rupu na površini, a lopta će početi da se kotrlja prema velikoj i teškoj težini. Ovo je "gravitacija".

Između ostalog! Za naše čitaoce sada postoji popust od 10%. bilo kakvu vrstu posla

Otkriće gravitacionih talasa

Gravitacijske talase je predvidio Albert Ajnštajn još 1916. godine, ali su otkriveni tek stotinu godina kasnije, 2015. godine.

Šta su gravitacioni talasi? Hajdemo ponovo da povučemo analogiju. Ako bacite kamen u mirnu vodu, krugovi će ići po površini vode od mjesta njegovog pada. Gravitacioni talasi su isti talasi, perturbacije. Samo ne na vodi, već u svjetskom prostor-vremenu.

Umjesto vode - prostor-vrijeme, a umjesto kamena, recimo, crna rupa. Svako ubrzano kretanje mase stvara gravitacioni talas. Ako su tijela u stanju slobodnog pada, razmak između njih će se promijeniti kada prođe gravitacijski val.

Kako je gravitacija vrlo slaba sila, detekcija gravitacionih talasa je povezana sa velikim tehničkim poteškoćama. Moderne tehnologije su omogućile da se otkrije nalet gravitacionih talasa samo iz supermasivnih izvora.

Pogodan događaj za registrovanje gravitacionog talasa je spajanje crnih rupa. Nažalost ili na sreću, to se dešava prilično retko. Ipak, naučnici su uspeli da registruju talas koji se bukvalno kotrljao kroz svemir.

Za registrovanje gravitacionih talasa napravljen je detektor prečnika 4 kilometra. Tokom prolaska talasa zabeležene su oscilacije ogledala na suspenzijama u vakuumu i interferencija svetlosti koja se odbija od njih.

Gravitacioni talasi potvrdili su valjanost opšte teorije relativnosti.

Gravitacija i elementarne čestice

U standardnom modelu, određene elementarne čestice su odgovorne za svaku interakciju. Možemo reći da su čestice nosioci interakcija.

Za gravitaciju je odgovoran graviton - hipotetička čestica bez mase sa energijom. Inače, u našem posebnom materijalu pročitajte više o Higgsovom bozonu i drugim elementarnim česticama koje su stvarale veliku buku.

Na kraju, evo nekoliko zanimljivih činjenica o gravitaciji.

10 činjenica o gravitaciji

Da bi se savladala sila gravitacije Zemlje, tijelo mora imati brzinu jednaku 7,91 km/s. Ovo je prva kosmička brzina. Dovoljno je da se tijelo (na primjer, svemirska sonda) kreće u orbiti oko planete.
Da bi izbjegla Zemljino gravitacijsko polje, svemirska letjelica mora imati brzinu od najmanje 11,2 km/s. Ovo je druga svemirska brzina.
Objekti sa najjačom gravitacijom su crne rupe. Njihova gravitacija je toliko jaka da čak privlače svjetlost (fotone).
Ni u jednoj jednadžbi kvantne mehanike nećete naći silu gravitacije. Činjenica je da kada pokušate uključiti gravitaciju u jednačine, one gube svoju relevantnost. Ovo je jedan od najvažnijih problema moderne fizike.
Reč gravitacija dolazi od latinskog “gravis”, što znači “težak”.
Što je objekt masivniji, to je jača gravitacija. Ako osoba koja ima 60 kilograma na Zemlji teži Jupiteru, vaga će pokazati 142 kilograma.
Naučnici NASA-e pokušavaju da razviju gravitacioni snop koji će omogućiti da se objekti pomeraju beskontaktno, savladavajući silu gravitacije.
Astronauti u orbiti također doživljavaju gravitaciju. Tačnije, mikrogravitacija. Čini se da beskrajno padaju zajedno s brodom u kojem se nalaze.
Gravitacija uvijek privlači i nikada odbija.
Crna rupa veličine teniske loptice vuče objekte istom silom kao i naša planeta.

Sada znate definiciju gravitacije i možete reći koja formula se koristi za izračunavanje sile privlačenja. Ako vas granit nauke drži jače od gravitacije, kontaktirajte našu studentsku službu. Pomoći ćemo vam da lako naučite i pod najvećim opterećenjima!