Τύπος ταχύτητας μέσω της δύναμης της παγκόσμιας βαρύτητας. Βαρυτικές δυνάμεις

Στην ερώτηση «Τι είναι δύναμη;» Η φυσική απαντά ως εξής: «Η δύναμη είναι ένα μέτρο της αλληλεπίδρασης των υλικών σωμάτων μεταξύ τους ή μεταξύ σωμάτων και άλλων υλικών αντικειμένων - φυσικών πεδίων». Όλες οι δυνάμεις στη φύση μπορούν να ταξινομηθούν σε τέσσερις θεμελιώδεις τύπους αλληλεπιδράσεων: ισχυρές, ασθενείς, ηλεκτρομαγνητικές και βαρυτικές. Το άρθρο μας μιλάει για το τι είναι οι βαρυτικές δυνάμεις - ένα μέτρο του τελευταίου και, ίσως, του πιο διαδεδομένου τύπου αυτών των αλληλεπιδράσεων στη φύση.

Ας ξεκινήσουμε με τη βαρύτητα της γης

Όλοι οι ζωντανοί γνωρίζουν ότι υπάρχει μια δύναμη που έλκει αντικείμενα στη γη. Συνήθως αναφέρεται ως βαρύτητα, βαρύτητα ή βαρύτητα. Χάρη στην παρουσία του, οι άνθρωποι έχουν τις έννοιες «πάνω» και «κάτω», οι οποίες καθορίζουν την κατεύθυνση κίνησης ή τη θέση κάποιου στοιχείου σε σχέση με την επιφάνεια της γης. Έτσι σε μια συγκεκριμένη περίπτωση, στην επιφάνεια της γης ή κοντά σε αυτήν, εκδηλώνονται βαρυτικές δυνάμεις, οι οποίες έλκουν αντικείμενα με μάζα μεταξύ τους, εκδηλώνοντας την επίδρασή τους σε οποιαδήποτε απόσταση, μικρή και πολύ μεγάλη, ακόμη και με κοσμικά πρότυπα.

Βαρύτητα και τρίτος νόμος του Νεύτωνα

Όπως είναι γνωστό, οποιαδήποτε δύναμη, αν θεωρείται ως μέτρο της αλληλεπίδρασης φυσικών σωμάτων, εφαρμόζεται πάντα σε ένα από αυτά. Έτσι στη βαρυτική αλληλεπίδραση των σωμάτων μεταξύ τους, το καθένα από αυτά βιώνει τέτοιους τύπους βαρυτικών δυνάμεων που προκαλούνται από την επίδραση του καθενός από αυτά. Εάν υπάρχουν μόνο δύο σώματα (υποτίθεται ότι η δράση όλων των άλλων μπορεί να παραμεληθεί), τότε καθένα από αυτά, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, θα προσελκύσει το άλλο σώμα με την ίδια δύναμη. Έτσι η Σελήνη και η Γη ελκύουν η μία την άλλη, με αποτέλεσμα την άμπωτη και τη ροή των θαλασσών της Γης.

Κάθε πλανήτης στο ηλιακό σύστημα δέχεται αρκετές βαρυτικές δυνάμεις από τον Ήλιο και άλλους πλανήτες. Φυσικά, η βαρυτική δύναμη του Ήλιου είναι αυτή που καθορίζει το σχήμα και το μέγεθος της τροχιάς του, αλλά οι αστρονόμοι λαμβάνουν επίσης υπόψη την επιρροή άλλων ουράνιων σωμάτων στους υπολογισμούς των τροχιών της κίνησής τους.

Ποιο θα πέσει πιο γρήγορα στο έδαφος από ύψος;

Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της δύναμης είναι ότι όλα τα αντικείμενα πέφτουν στο έδαφος με την ίδια ταχύτητα, ανεξάρτητα από τη μάζα τους. Μια φορά κι έναν καιρό, μέχρι τον 16ο αιώνα, πίστευαν ότι όλα ήταν αντίστροφα - τα βαρύτερα σώματα θα έπρεπε να πέφτουν πιο γρήγορα από τα ελαφρύτερα. Για να διαλύσει αυτή την παρανόηση, ο Galileo Galilei χρειάστηκε να εκτελέσει το περίφημο πείραμά του να ρίξει ταυτόχρονα δύο οβίδες διαφορετικού βάρους από τον κεκλιμένο Πύργο της Πίζας. Σε αντίθεση με τις προσδοκίες των μαρτύρων του πειράματος, και οι δύο πυρήνες έφτασαν στην επιφάνεια ταυτόχρονα. Σήμερα, κάθε μαθητής γνωρίζει ότι αυτό συνέβη λόγω του γεγονότος ότι η βαρύτητα προσδίδει σε οποιοδήποτε σώμα την ίδια επιτάχυνση ελεύθερης πτώσης g = 9,81 m/s 2 ανεξάρτητα από τη μάζα m αυτού του σώματος και η τιμή της σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα είναι ίση έως F = mg.

Οι βαρυτικές δυνάμεις στη Σελήνη και σε άλλους πλανήτες έχουν διαφορετικές τιμές αυτής της επιτάχυνσης. Ωστόσο, η φύση της δράσης της βαρύτητας πάνω τους είναι η ίδια.

Βαρύτητα και σωματικό βάρος

Εάν η πρώτη δύναμη εφαρμόζεται απευθείας στο ίδιο το σώμα, τότε η δεύτερη στη στήριξη ή την ανάρτησή του. Σε αυτή την κατάσταση, ελαστικές δυνάμεις ενεργούν πάντα στα σώματα από τα στηρίγματα και τις αναρτήσεις. Οι βαρυτικές δυνάμεις που εφαρμόζονται στα ίδια σώματα δρουν προς αυτά.

Φανταστείτε ένα βάρος που αιωρείται πάνω από το έδαφος από ένα ελατήριο. Δύο δυνάμεις ασκούνται σε αυτό: η ελαστική δύναμη του τεντωμένου ελατηρίου και η δύναμη της βαρύτητας. Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, το φορτίο δρα στο ελατήριο με δύναμη ίση και αντίθετη με την ελαστική δύναμη. Αυτή η δύναμη θα είναι το βάρος της. Ένα φορτίο βάρους 1 kg έχει βάρος ίσο με P = 1 kg ∙ 9,81 m/s 2 = 9,81 N (newton).

Βαρυτικές δυνάμεις: ορισμός

Η πρώτη ποσοτική θεωρία της βαρύτητας, βασισμένη σε παρατηρήσεις της κίνησης των πλανητών, διατυπώθηκε από τον Ισαάκ Νεύτωνα το 1687 στις περίφημες «Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας». Έγραψε ότι οι βαρυτικές δυνάμεις που δρουν στον Ήλιο και τους πλανήτες εξαρτώνται από την ποσότητα ύλης που περιέχουν. Απλώνονται σε μεγάλες αποστάσεις και πάντα μειώνονται ως το αντίστροφο του τετραγώνου της απόστασης. Πώς μπορούμε να υπολογίσουμε αυτές τις βαρυτικές δυνάμεις; Ο τύπος για τη δύναμη F μεταξύ δύο αντικειμένων με μάζες m 1 και m 2 που βρίσκονται σε απόσταση r είναι:

• F=Gm 1 m 2 /r 2 ,
  όπου G είναι μια σταθερά αναλογικότητας, μια σταθερά βαρύτητας.

Φυσικός μηχανισμός βαρύτητας

Ο Νεύτωνας δεν ήταν απόλυτα ικανοποιημένος με τη θεωρία του, δεδομένου ότι υπέθετε την αλληλεπίδραση μεταξύ έλξης σωμάτων σε απόσταση. Ο ίδιος ο μεγάλος Άγγλος ήταν σίγουρος ότι θα έπρεπε να υπάρχει κάποιος φυσικός παράγοντας υπεύθυνος για τη μεταφορά της δράσης ενός σώματος σε άλλο, κάτι που δήλωσε ξεκάθαρα σε μια από τις επιστολές του. Αλλά η εποχή που εισήχθη η έννοια ενός βαρυτικού πεδίου που διαπερνά όλο το διάστημα ήρθε μόλις τέσσερις αιώνες αργότερα. Σήμερα, μιλώντας για τη βαρύτητα, μπορούμε να μιλήσουμε για την αλληλεπίδραση οποιουδήποτε (κοσμικού) σώματος με το βαρυτικό πεδίο άλλων σωμάτων, το μέτρο του οποίου είναι οι βαρυτικές δυνάμεις που προκύπτουν μεταξύ κάθε ζεύγους σωμάτων. Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης, που διατυπώθηκε από τον Νεύτωνα με την παραπάνω μορφή, παραμένει αληθινός και επιβεβαιώνεται από πολλά γεγονότα.

Θεωρία βαρύτητας και αστρονομία

Εφαρμόστηκε με μεγάλη επιτυχία στην επίλυση προβλημάτων της ουράνιας μηχανικής κατά τον 18ο και τις αρχές του 19ου αιώνα. Για παράδειγμα, οι μαθηματικοί D. Adams και W. Le Verrier, αναλύοντας διαταραχές στην τροχιά του Ουρανού, πρότειναν ότι υπόκειται σε βαρυτικές δυνάμεις αλληλεπίδρασης με έναν ακόμη άγνωστο πλανήτη. Έδειξαν την αναμενόμενη θέση του και σύντομα ο Ποσειδώνας ανακαλύφθηκε εκεί από τον αστρονόμο I. Galle.

Υπήρχε ακόμα ένα πρόβλημα όμως. Ο Le Verrier το 1845 υπολόγισε ότι η τροχιά του Ερμή προχωρά κατά 35" ανά αιώνα, σε αντίθεση με τη μηδενική τιμή αυτής της μετάπτωσης που προκύπτει από τη θεωρία του Νεύτωνα. Οι επόμενες μετρήσεις έδωσαν μια ακριβέστερη τιμή 43". (Η παρατηρούμενη μετάπτωση είναι στην πραγματικότητα 570"/αιώνας, αλλά ένας προσεκτικός υπολογισμός για την αφαίρεση της επιρροής από όλους τους άλλους πλανήτες δίνει μια τιμή 43".)

Μόλις το 1915 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν μπόρεσε να εξηγήσει αυτή την ασυμφωνία στο πλαίσιο της θεωρίας του για τη βαρύτητα. Αποδείχθηκε ότι ο τεράστιος Ήλιος, όπως και κάθε άλλο σώμα με μεγάλη μάζα, λυγίζει τον χωροχρόνο κοντά του. Αυτά τα φαινόμενα προκαλούν αποκλίσεις στις τροχιές των πλανητών, αλλά στον Ερμή, ως τον μικρότερο πλανήτη και πιο κοντά στο άστρο μας, είναι πιο έντονες.

Αδρανειακές και βαρυτικές μάζες

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, ο Γαλιλαίος ήταν ο πρώτος που παρατήρησε ότι τα αντικείμενα πέφτουν στο έδαφος με την ίδια ταχύτητα, ανεξάρτητα από τη μάζα τους. Στους τύπους του Νεύτωνα, η έννοια της μάζας προέρχεται από δύο διαφορετικές εξισώσεις. Ο δεύτερος νόμος του λέει ότι μια δύναμη F που εφαρμόζεται σε ένα σώμα με μάζα m δίνει επιτάχυνση σύμφωνα με την εξίσωση F = ma.

Ωστόσο, η δύναμη της βαρύτητας F που εφαρμόζεται σε ένα σώμα ικανοποιεί τον τύπο F = mg, όπου το g εξαρτάται από το άλλο σώμα που αλληλεπιδρά με το εν λόγω σώμα (η γη συνήθως όταν μιλάμε για βαρύτητα). Και στις δύο εξισώσεις το m είναι ένας συντελεστής αναλογικότητας, αλλά στην πρώτη περίπτωση είναι αδρανειακή μάζα και στη δεύτερη είναι βαρυτική μάζα, και δεν υπάρχει προφανής λόγος να είναι τα ίδια για οποιοδήποτε φυσικό αντικείμενο.

Ωστόσο, όλα τα πειράματα δείχνουν ότι αυτό είναι πράγματι έτσι.

Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν

Ως αφετηρία για τη θεωρία του έλαβε το γεγονός της ισότητας αδρανειακών και βαρυτικών μαζών. Κατάφερε να κατασκευάσει τις εξισώσεις βαρυτικού πεδίου, τις περίφημες εξισώσεις του Αϊνστάιν, και με τη βοήθειά τους να υπολογίσει τη σωστή τιμή για τη μετάπτωση της τροχιάς του Ερμή. Δίνουν επίσης μια μετρημένη τιμή για την εκτροπή των ακτίνων φωτός που περνούν κοντά στον Ήλιο, και δεν υπάρχει αμφιβολία ότι δίνουν τα σωστά αποτελέσματα για τη μακροσκοπική βαρύτητα. Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν ή η γενική θεωρία της σχετικότητας (GR) όπως την ονόμασε, είναι ένας από τους μεγαλύτερους θριάμβους της σύγχρονης επιστήμης.

Είναι οι βαρυτικές δυνάμεις επιτάχυνση;

Εάν δεν μπορείτε να διακρίνετε την αδρανειακή μάζα από τη βαρυτική μάζα, τότε δεν μπορείτε να διακρίνετε τη βαρύτητα από την επιτάχυνση. Το πείραμα του βαρυτικού πεδίου μπορεί να πραγματοποιηθεί σε έναν επιταχυνόμενο ανελκυστήρα απουσία βαρύτητας. Όταν ένας αστροναύτης σε έναν πύραυλο επιταχύνει μακριά από τη γη, βιώνει μια δύναμη βαρύτητας που είναι αρκετές φορές μεγαλύτερη από αυτή της Γης, με τη συντριπτική πλειονότητά της να προέρχεται από την επιτάχυνση.

Εάν κανείς δεν μπορεί να διακρίνει τη βαρύτητα από την επιτάχυνση, τότε η πρώτη μπορεί πάντα να αναπαραχθεί με επιτάχυνση. Ένα σύστημα στο οποίο η επιτάχυνση αντικαθιστά τη βαρύτητα ονομάζεται αδρανειακό. Επομένως, η Σελήνη σε τροχιά κοντά στη Γη μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως αδρανειακό σύστημα. Ωστόσο, αυτό το σύστημα θα διαφέρει από σημείο σε σημείο καθώς αλλάζει το βαρυτικό πεδίο. (Στο παράδειγμα της Σελήνης, το βαρυτικό πεδίο αλλάζει κατεύθυνση από το ένα σημείο στο άλλο.) Η αρχή ότι μπορεί κανείς πάντα να βρει ένα αδρανειακό σύστημα σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου και του χρόνου στο οποίο η φυσική υπακούει στους νόμους απουσία βαρύτητας ονομάζεται την αρχή της ισοδυναμίας.

Η βαρύτητα ως εκδήλωση των γεωμετρικών ιδιοτήτων του χωροχρόνου

Το γεγονός ότι οι βαρυτικές δυνάμεις μπορούν να θεωρηθούν ως επιταχύνσεις σε συστήματα αδρανειακών συντεταγμένων που διαφέρουν από σημείο σε σημείο σημαίνει ότι η βαρύτητα είναι μια γεωμετρική έννοια.

Λέμε ότι ο χωροχρόνος είναι καμπύλος. Σκεφτείτε μια μπάλα σε μια επίπεδη επιφάνεια. Θα ηρεμήσει ή, εάν δεν υπάρχει τριβή, θα κινηθεί ομοιόμορφα απουσία δυνάμεων που ασκούν πάνω του. Εάν η επιφάνεια είναι κυρτή, η μπάλα θα επιταχύνει και θα μετακινηθεί στο χαμηλότερο σημείο, ακολουθώντας τη συντομότερη διαδρομή. Ομοίως, η θεωρία του Αϊνστάιν δηλώνει ότι ο τετραδιάστατος χωροχρόνος είναι καμπύλος, και ένα σώμα κινείται σε αυτόν τον καμπύλο χώρο κατά μήκος μιας γεωδαισιακής γραμμής που αντιστοιχεί στη συντομότερη διαδρομή. Επομένως, το βαρυτικό πεδίο και οι βαρυτικές δυνάμεις που δρουν σε αυτό σε φυσικά σώματα είναι γεωμετρικά μεγέθη που εξαρτώνται από τις ιδιότητες του χωροχρόνου, οι οποίες αλλάζουν πιο έντονα κοντά σε σώματα μεγάλης μάζας.

Από την αρχαιότητα, η ανθρωπότητα σκέφτηκε πώς λειτουργεί ο κόσμος γύρω μας. Γιατί φυτρώνει το γρασίδι, γιατί λάμπει ο Ήλιος, γιατί δεν μπορούμε να πετάξουμε... Το τελευταίο, παρεμπιπτόντως, είχε πάντα ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ανθρώπους. Τώρα ξέρουμε ότι η βαρύτητα είναι ο λόγος για όλα. Τι είναι και γιατί αυτό το φαινόμενο είναι τόσο σημαντικό στην κλίμακα του Σύμπαντος, θα εξετάσουμε σήμερα.

Εισαγωγικό μέρος

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όλα τα ογκώδη σώματα βιώνουν αμοιβαία έλξη μεταξύ τους. Στη συνέχεια, αποδείχθηκε ότι αυτή η μυστηριώδης δύναμη καθορίζει επίσης την κίνηση των ουράνιων σωμάτων στις σταθερές τροχιές τους. Η ίδια η θεωρία της βαρύτητας διατυπώθηκε από μια ιδιοφυΐα του οποίου οι υποθέσεις προκαθόρισαν την ανάπτυξη της φυσικής για πολλούς επόμενους αιώνες. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, ένα από τα μεγαλύτερα μυαλά του περασμένου αιώνα, ανέπτυξε και συνέχισε (αν και σε εντελώς διαφορετική κατεύθυνση) αυτή τη διδασκαλία.

Για αιώνες, οι επιστήμονες παρατηρούν τη βαρύτητα και προσπαθούν να την κατανοήσουν και να την μετρήσουν. Τέλος, τις τελευταίες δεκαετίες, ακόμη και ένα φαινόμενο όπως η βαρύτητα έχει τεθεί στην υπηρεσία της ανθρωπότητας (με μια ορισμένη έννοια, φυσικά). Τι είναι, ποιος είναι ο ορισμός του επίμαχου όρου στη σύγχρονη επιστήμη;

Επιστημονικός ορισμός

Εάν μελετήσετε τα έργα των αρχαίων στοχαστών, μπορείτε να μάθετε ότι η λατινική λέξη "gravitas" σημαίνει "βαρύτητα", "έλξη". Σήμερα οι επιστήμονες αποκαλούν αυτό την καθολική και συνεχή αλληλεπίδραση μεταξύ υλικών σωμάτων. Εάν αυτή η δύναμη είναι σχετικά ασθενής και δρα μόνο σε αντικείμενα που κινούνται πολύ πιο αργά, τότε η θεωρία του Νεύτωνα είναι εφαρμόσιμη σε αυτά. Αν η κατάσταση είναι αντίστροφη, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν τα συμπεράσματα του Αϊνστάιν.

Ας κάνουμε μια κράτηση αμέσως: προς το παρόν, η ίδια η φύση της βαρύτητας δεν είναι πλήρως κατανοητή κατ' αρχήν. Ακόμα δεν καταλαβαίνουμε πλήρως τι είναι.

Θεωρίες του Νεύτωνα και του Αϊνστάιν

Σύμφωνα με την κλασική διδασκαλία του Ισαάκ Νεύτωνα, όλα τα σώματα έλκονται μεταξύ τους με δύναμη ευθέως ανάλογη της μάζας τους, αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης που βρίσκεται μεταξύ τους. Ο Αϊνστάιν υποστήριξε ότι η βαρύτητα μεταξύ των αντικειμένων εκδηλώνεται στην περίπτωση της καμπυλότητας του χώρου και του χρόνου (και η καμπυλότητα του χώρου είναι δυνατή μόνο εάν υπάρχει ύλη σε αυτό).

Αυτή η ιδέα ήταν πολύ βαθιά, αλλά η σύγχρονη έρευνα αποδεικνύει ότι είναι κάπως ανακριβής. Σήμερα πιστεύεται ότι η βαρύτητα στο διάστημα κάμπτει μόνο το διάστημα: ο χρόνος μπορεί να επιβραδυνθεί ή ακόμη και να σταματήσει, αλλά η πραγματικότητα της αλλαγής του σχήματος της προσωρινής ύλης δεν έχει επιβεβαιωθεί θεωρητικά. Επομένως, η κλασική εξίσωση του Αϊνστάιν δεν παρέχει καν την πιθανότητα ότι το διάστημα θα συνεχίσει να επηρεάζει την ύλη και το προκύπτον μαγνητικό πεδίο.

Ο νόμος της βαρύτητας (καθολική βαρύτητα) είναι πιο γνωστός, η μαθηματική έκφραση του οποίου ανήκει στον Νεύτωνα:

\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]

Το γ αναφέρεται στη σταθερά βαρύτητας (μερικές φορές χρησιμοποιείται το σύμβολο G), η τιμή της οποίας είναι 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²).

Αλληλεπίδραση μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων

Η απίστευτη πολυπλοκότητα του χώρου γύρω μας οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στον άπειρο αριθμό στοιχειωδών σωματιδίων. Υπάρχουν επίσης διάφορες αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους σε επίπεδα που μπορούμε μόνο να μαντέψουμε. Ωστόσο, όλοι οι τύποι αλληλεπίδρασης μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων διαφέρουν σημαντικά ως προς τη δύναμή τους.

Οι πιο ισχυρές δυνάμεις που γνωρίζουμε συνδέουν τα συστατικά του ατομικού πυρήνα. Για να τα χωρίσετε, πρέπει να ξοδέψετε μια πραγματικά κολοσσιαία ποσότητα ενέργειας. Όσο για τα ηλεκτρόνια, αυτά «κολλούνται» στον πυρήνα μόνο από τα συνηθισμένα.Για να σταματήσει, μερικές φορές αρκεί η ενέργεια που εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της πιο συνηθισμένης χημικής αντίδρασης. Η βαρύτητα (ξέρετε ήδη τι είναι) με τη μορφή ατόμων και υποατομικών σωματιδίων είναι ο ευκολότερος τύπος αλληλεπίδρασης.

Το βαρυτικό πεδίο σε αυτή την περίπτωση είναι τόσο αδύναμο που είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς. Παραδόξως, είναι αυτοί που «παρακολουθούν» την κίνηση των ουράνιων σωμάτων, των οποίων η μάζα μερικές φορές είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς. Όλα αυτά είναι δυνατά χάρη σε δύο χαρακτηριστικά της βαρύτητας, τα οποία είναι ιδιαίτερα έντονα στην περίπτωση μεγάλων φυσικών σωμάτων:

• Σε αντίθεση με τις ατομικές, είναι πιο αισθητή σε απόσταση από το αντικείμενο. Έτσι, η βαρύτητα της Γης συγκρατεί ακόμη και τη Σελήνη στο πεδίο της, και μια παρόμοια δύναμη από τον Δία υποστηρίζει εύκολα τις τροχιές πολλών δορυφόρων ταυτόχρονα, η μάζα καθενός από τους οποίους είναι αρκετά συγκρίσιμη με αυτή της Γης!
• Επιπλέον, παρέχει πάντα έλξη μεταξύ των αντικειμένων και με την απόσταση αυτή η δύναμη εξασθενεί με μικρή ταχύτητα.

Ο σχηματισμός μιας περισσότερο ή λιγότερο συνεκτικής θεωρίας της βαρύτητας συνέβη σχετικά πρόσφατα, και ακριβώς με βάση τα αποτελέσματα αιώνων παρατηρήσεων της κίνησης των πλανητών και άλλων ουράνιων σωμάτων. Το έργο διευκολύνθηκε πολύ από το γεγονός ότι όλα κινούνται στο κενό, όπου απλά δεν υπάρχουν άλλες πιθανές αλληλεπιδράσεις. Ο Γαλιλαίος και ο Κέπλερ, δύο εξέχοντες αστρονόμοι εκείνης της εποχής, βοήθησαν να προετοιμαστεί το έδαφος για νέες ανακαλύψεις με τις πιο πολύτιμες παρατηρήσεις τους.

Αλλά μόνο ο μεγάλος Ισαάκ Νεύτων ήταν σε θέση να δημιουργήσει την πρώτη θεωρία της βαρύτητας και να την εκφράσει μαθηματικά. Αυτός ήταν ο πρώτος νόμος της βαρύτητας, η μαθηματική αναπαράσταση του οποίου παρουσιάζεται παραπάνω.

Συμπεράσματα του Νεύτωνα και ορισμένων από τους προκατόχους του

Σε αντίθεση με άλλα φυσικά φαινόμενα που υπάρχουν στον κόσμο γύρω μας, η βαρύτητα εκδηλώνεται πάντα και παντού. Πρέπει να καταλάβετε ότι ο όρος «μηδενική βαρύτητα», που απαντάται συχνά σε ψευδοεπιστημονικούς κύκλους, είναι εξαιρετικά λανθασμένος: ακόμη και η έλλειψη βαρύτητας στο διάστημα δεν σημαίνει ότι ένα άτομο ή ένα διαστημόπλοιο δεν επηρεάζεται από τη βαρύτητα κάποιου τεράστιου αντικειμένου.

Επιπλέον, όλα τα υλικά σώματα έχουν μια ορισμένη μάζα, που εκφράζεται με τη μορφή της δύναμης που τους ασκήθηκε και την επιτάχυνση που επιτυγχάνεται λόγω αυτής της επιρροής.

Έτσι, οι βαρυτικές δυνάμεις είναι ανάλογες με τη μάζα των αντικειμένων. Μπορούν να εκφραστούν αριθμητικά λαμβάνοντας το γινόμενο των μαζών και των δύο υπό εξέταση σωμάτων. Αυτή η δύναμη υπακούει αυστηρά στην αντίστροφη σχέση με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των αντικειμένων. Όλες οι άλλες αλληλεπιδράσεις εξαρτώνται εντελώς διαφορετικά από τις αποστάσεις μεταξύ δύο σωμάτων.

Η μάζα ως ο ακρογωνιαίος λίθος της θεωρίας

Η μάζα των αντικειμένων έχει γίνει ένα ειδικό σημείο διαμάχης γύρω από το οποίο οικοδομείται ολόκληρη η σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας και της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αν θυμάστε το Δεύτερο, πιθανότατα γνωρίζετε ότι η μάζα είναι υποχρεωτικό χαρακτηριστικό κάθε φυσικού υλικού σώματος. Δείχνει πώς θα συμπεριφερθεί ένα αντικείμενο αν ασκηθεί δύναμη σε αυτό, ανεξάρτητα από την προέλευσή του.

Δεδομένου ότι όλα τα σώματα (σύμφωνα με τον Νεύτωνα) επιταχύνουν όταν εκτίθενται σε μια εξωτερική δύναμη, είναι η μάζα που καθορίζει πόσο μεγάλη θα είναι αυτή η επιτάχυνση. Ας δούμε ένα πιο κατανοητό παράδειγμα. Φανταστείτε ένα σκούτερ και ένα λεωφορείο: αν εφαρμόσετε ακριβώς την ίδια δύναμη σε αυτά, θα φτάσουν σε διαφορετικές ταχύτητες σε διαφορετικούς χρόνους. Η θεωρία της βαρύτητας τα εξηγεί όλα αυτά.

Ποια είναι η σχέση μεταξύ μάζας και βαρύτητας;

Αν μιλάμε για βαρύτητα, τότε η μάζα σε αυτό το φαινόμενο παίζει ρόλο εντελώς αντίθετο από αυτόν που παίζει σε σχέση με τη δύναμη και την επιτάχυνση ενός αντικειμένου. Είναι αυτή που είναι η ίδια η κύρια πηγή έλξης. Εάν πάρετε δύο σώματα και δείτε τη δύναμη με την οποία έλκουν ένα τρίτο αντικείμενο, το οποίο βρίσκεται σε ίσες αποστάσεις από τα δύο πρώτα, τότε ο λόγος όλων των δυνάμεων θα είναι ίσος με τον λόγο των μαζών των δύο πρώτων αντικειμένων. Έτσι, η δύναμη της βαρύτητας είναι ευθέως ανάλογη με τη μάζα του σώματος.

Αν σκεφτούμε τον Τρίτο Νόμο του Νεύτωνα, μπορούμε να δούμε ότι λέει ακριβώς το ίδιο πράγμα. Η δύναμη της βαρύτητας, η οποία δρα σε δύο σώματα που βρίσκονται σε ίσες αποστάσεις από την πηγή έλξης, εξαρτάται άμεσα από τη μάζα αυτών των αντικειμένων. Στην καθημερινή ζωή, μιλάμε για τη δύναμη με την οποία ένα σώμα έλκεται στην επιφάνεια του πλανήτη ως το βάρος του.

Ας συνοψίσουμε μερικά αποτελέσματα. Έτσι, η μάζα σχετίζεται στενά με την επιτάχυνση. Ταυτόχρονα, είναι αυτή που καθορίζει τη δύναμη με την οποία θα ενεργήσει η βαρύτητα στο σώμα.

Χαρακτηριστικά της επιτάχυνσης των σωμάτων σε ένα βαρυτικό πεδίο

Αυτή η εκπληκτική δυαδικότητα είναι ο λόγος που στο ίδιο βαρυτικό πεδίο η επιτάχυνση εντελώς διαφορετικών αντικειμένων θα είναι ίση. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο σώματα. Ας αντιστοιχίσουμε μάζα z σε ένα από αυτά και μάζα Z στο άλλο. Και τα δύο αντικείμενα πέφτουν στο έδαφος, όπου πέφτουν ελεύθερα.

Πώς καθορίζεται ο λόγος των ελκτικών δυνάμεων; Δείχνεται από τον απλούστερο μαθηματικό τύπο - z/Z. Αλλά η επιτάχυνση που λαμβάνουν ως αποτέλεσμα της δύναμης της βαρύτητας θα είναι απολύτως η ίδια. Με απλά λόγια, η επιτάχυνση που έχει ένα σώμα σε ένα βαρυτικό πεδίο δεν εξαρτάται σε καμία περίπτωση από τις ιδιότητές του.

Από τι εξαρτάται η επιτάχυνση στην περιγραφόμενη περίπτωση;

Εξαρτάται μόνο (!) από τη μάζα των αντικειμένων που δημιουργούν αυτό το πεδίο, καθώς και από τη χωρική τους θέση. Ο διπλός ρόλος της μάζας και της ίσης επιτάχυνσης διαφορετικών σωμάτων σε ένα βαρυτικό πεδίο έχει ανακαλυφθεί για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτά τα φαινόμενα έλαβαν το ακόλουθο όνομα: «Η αρχή της ισοδυναμίας». Αυτός ο όρος τονίζει για άλλη μια φορά ότι η επιτάχυνση και η αδράνεια είναι συχνά ισοδύναμες (σε κάποιο βαθμό, φυσικά).

Σχετικά με τη σημασία της τιμής G

Από το μάθημα της σχολικής φυσικής, θυμόμαστε ότι η επιτάχυνση της βαρύτητας στην επιφάνεια του πλανήτη μας (Η βαρύτητα της Γης) είναι ίση με 10 m/sec.² (9,8, φυσικά, αλλά αυτή η τιμή χρησιμοποιείται για την απλότητα των υπολογισμών). Έτσι, εάν δεν λάβετε υπόψη την αντίσταση του αέρα (σε σημαντικό ύψος με μικρή απόσταση πτώσης), θα έχετε το αποτέλεσμα όταν το σώμα αποκτήσει αύξηση επιτάχυνσης 10 m/sec. κάθε δευτερόλεπτο. Έτσι, ένα βιβλίο που έπεσε από τον δεύτερο όροφο ενός σπιτιού θα κινείται με ταχύτητα 30-40 m/sec μέχρι το τέλος της πτήσης του. Με απλά λόγια, τα 10 m/s είναι η «ταχύτητα» της βαρύτητας μέσα στη Γη.

Η επιτάχυνση της βαρύτητας στη φυσική βιβλιογραφία υποδηλώνεται με το γράμμα "g". Δεδομένου ότι το σχήμα της Γης θυμίζει σε κάποιο βαθμό περισσότερο μανταρίνι παρά σφαίρα, η αξία αυτής της ποσότητας δεν είναι η ίδια σε όλες τις περιοχές της. Έτσι, η επιτάχυνση είναι μεγαλύτερη στους πόλους και στις κορυφές των ψηλών βουνών γίνεται μικρότερη.

Ακόμη και στη βιομηχανία εξόρυξης, η βαρύτητα παίζει σημαντικό ρόλο. Η φυσική αυτού του φαινομένου μπορεί μερικές φορές να εξοικονομήσει πολύ χρόνο. Έτσι, οι γεωλόγοι ενδιαφέρονται ιδιαίτερα για τον απόλυτα ακριβή προσδιορισμό του g, αφού αυτό τους επιτρέπει να εξερευνούν και να εντοπίζουν κοιτάσματα ορυκτών με εξαιρετική ακρίβεια. Παρεμπιπτόντως, πώς μοιάζει ο τύπος της βαρύτητας, στον οποίο παίζει σημαντικό ρόλο η ποσότητα που εξετάσαμε; Εδώ είναι:

Σημείωση! Στην περίπτωση αυτή, ο τύπος βαρύτητας σημαίνει με το G τη «σταθερά βαρύτητας», την έννοια της οποίας έχουμε ήδη δώσει παραπάνω.

Κάποτε ο Νεύτων διατύπωσε τις παραπάνω αρχές. Κατανοούσε τέλεια τόσο την ενότητα όσο και την καθολικότητα, αλλά δεν μπορούσε να περιγράψει όλες τις πτυχές αυτού του φαινομένου. Αυτή η τιμή έπεσε στον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος ήταν επίσης σε θέση να εξηγήσει την αρχή της ισοδυναμίας. Σε αυτόν οφείλει η ανθρωπότητα τη σύγχρονη κατανόηση της ίδιας της φύσης του χωροχρονικού συνεχούς.

Θεωρία της σχετικότητας, έργα του Άλμπερτ Αϊνστάιν

Την εποχή του Ισαάκ Νεύτωνα, πιστευόταν ότι τα σημεία αναφοράς μπορούν να αναπαρασταθούν με τη μορφή κάποιου είδους άκαμπτων «ράβδων», με τη βοήθεια των οποίων καθορίζεται η θέση ενός σώματος σε ένα χωρικό σύστημα συντεταγμένων. Ταυτόχρονα, θεωρήθηκε ότι όλοι οι παρατηρητές που σημειώνουν αυτές τις συντεταγμένες θα βρίσκονται στον ίδιο χρονικό χώρο. Εκείνα τα χρόνια, η διάταξη αυτή θεωρούνταν τόσο προφανής που δεν επιχειρήθηκε αμφισβήτηση ή συμπλήρωσή της. Και αυτό είναι κατανοητό, γιατί εντός των ορίων του πλανήτη μας δεν υπάρχουν αποκλίσεις σε αυτόν τον κανόνα.

Ο Αϊνστάιν απέδειξε ότι η ακρίβεια της μέτρησης θα είχε πραγματικά σημασία εάν ένα υποθετικό ρολόι κινούνταν σημαντικά πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Με απλά λόγια, αν ένας παρατηρητής, κινούμενος πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός, ακολουθήσει δύο γεγονότα, τότε θα συμβούν για αυτόν ταυτόχρονα. Αντίστοιχα, για τον δεύτερο παρατηρητή; των οποίων η ταχύτητα είναι ίδια ή μεγαλύτερη, τα γεγονότα μπορούν να συμβούν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές.

Πώς όμως σχετίζεται η βαρύτητα με τη θεωρία της σχετικότητας; Ας δούμε αναλυτικά αυτή την ερώτηση.

Η σύνδεση μεταξύ της θεωρίας της σχετικότητας και των βαρυτικών δυνάμεων

Τα τελευταία χρόνια, ένας τεράστιος αριθμός ανακαλύψεων έχει γίνει στον τομέα των υποατομικών σωματιδίων. Η πεποίθηση δυναμώνει ότι πρόκειται να βρούμε το τελικό σωματίδιο, πέρα ​​από το οποίο ο κόσμος μας δεν μπορεί να κατακερματιστεί. Όσο πιο επίμονη γίνεται η ανάγκη να μάθουμε πώς ακριβώς επηρεάζονται τα μικρότερα «δομικά στοιχεία» του σύμπαντος μας από εκείνες τις θεμελιώδεις δυνάμεις που ανακαλύφθηκαν τον περασμένο αιώνα ή και νωρίτερα. Είναι ιδιαίτερα απογοητευτικό το γεγονός ότι η ίδια η φύση της βαρύτητας δεν έχει ακόμη εξηγηθεί.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, μετά τον Αϊνστάιν, ο οποίος καθιέρωσε την «ανικανότητα» της κλασικής μηχανικής του Νεύτωνα στην υπό εξέταση περιοχή, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε μια πλήρη επανεξέταση των δεδομένων που ελήφθησαν προηγουμένως. Το ίδιο το Gravity έχει υποστεί μια σημαντική αναθεώρηση. Τι είναι σε επίπεδο υποατομικών σωματιδίων; Έχει κάποια σημασία σε αυτόν τον εκπληκτικό πολυδιάστατο κόσμο;

Μια απλή λύση;

Αρχικά, πολλοί υπέθεσαν ότι η ασυμφωνία μεταξύ της βαρύτητας του Νεύτωνα και της θεωρίας της σχετικότητας μπορούσε να εξηγηθεί πολύ απλά αντλώντας αναλογίες από το πεδίο της ηλεκτροδυναμικής. Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι το βαρυτικό πεδίο διαδίδεται σαν μαγνητικό πεδίο, μετά από το οποίο μπορεί να δηλωθεί ως «μεσολαβητής» στις αλληλεπιδράσεις των ουράνιων σωμάτων, εξηγώντας πολλές από τις ασυνέπειες μεταξύ των παλαιών και των νέων θεωριών. Γεγονός είναι ότι τότε οι σχετικές ταχύτητες διάδοσης των εν λόγω δυνάμεων θα ήταν σημαντικά χαμηλότερες από την ταχύτητα του φωτός. Πώς συνδέονται λοιπόν η βαρύτητα και ο χρόνος;

Κατ' αρχήν, ο ίδιος ο Αϊνστάιν σχεδόν πέτυχε να κατασκευάσει μια σχετικιστική θεωρία βασισμένη σε τέτοιες ακριβώς απόψεις, αλλά μόνο μια περίσταση εμπόδισε την πρόθεσή του. Κανένας από τους επιστήμονες εκείνης της εποχής δεν είχε καμία απολύτως πληροφορία που θα μπορούσε να βοηθήσει στον προσδιορισμό της «ταχύτητας» της βαρύτητας. Υπήρχαν όμως πολλές πληροφορίες σχετικά με τις κινήσεις μεγάλων μαζών. Όπως είναι γνωστό, ήταν ακριβώς η γενικά αποδεκτή πηγή της εμφάνισης ισχυρών βαρυτικών πεδίων.

Οι υψηλές ταχύτητες επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τις μάζες των σωμάτων και αυτό σε καμία περίπτωση δεν μοιάζει με την αλληλεπίδραση ταχύτητας και φορτίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα σώματος. Το πρόβλημα είναι ότι η τελευταία τιμή θα γινόταν αυτόματα άπειρη αν κινείται με την ταχύτητα του φωτός ή μεγαλύτερη. Επομένως, ο Αϊνστάιν κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχει βαρυτικό πεδίο, αλλά τανυστικό πεδίο, για να περιγράψει ποιες περισσότερες μεταβλητές πρέπει να χρησιμοποιηθούν.

Οι οπαδοί του κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η βαρύτητα και ο χρόνος είναι πρακτικά άσχετοι. Το γεγονός είναι ότι αυτό το ίδιο το τανυστικό πεδίο μπορεί να δράσει στο χώρο, αλλά δεν είναι σε θέση να επηρεάσει το χρόνο. Ωστόσο, ο λαμπρός σύγχρονος φυσικός Stephen Hawking έχει διαφορετική άποψη. Αλλά αυτή είναι μια εντελώς διαφορετική ιστορία...

Οι δυνάμεις βαρύτητας είναι ένας από τους τέσσερις κύριους τύπους δυνάμεων που εκδηλώνονται με όλη τους την ποικιλομορφία μεταξύ διαφορετικών σωμάτων τόσο στη Γη όσο και πέρα ​​από αυτήν. Εκτός από αυτά, διακρίνουν επίσης ηλεκτρομαγνητικά, αδύναμα και πυρηνικά (ισχυρά). Είναι πιθανώς η ύπαρξή τους που αντιλήφθηκε για πρώτη φορά η ανθρωπότητα. Από την πλευρά της Γης είναι γνωστό από τα αρχαία χρόνια. Ωστόσο, πέρασαν αιώνες πριν ο άνθρωπος συνειδητοποιήσει ότι μια αλληλεπίδραση αυτού του είδους συμβαίνει όχι μόνο μεταξύ της Γης και οποιουδήποτε σώματος, αλλά και μεταξύ διαφορετικών αντικειμένων. Ο πρώτος που κατάλαβε πώς λειτουργούν ήταν ο Άγγλος φυσικός I. Newton. Ήταν αυτός που έβγαλε το γνωστό πλέον

Τύπος βαρυτικής δύναμης

Ο Νεύτων αποφάσισε να αναλύσει τους νόμους σύμφωνα με τους οποίους κινούνται οι πλανήτες στο σύστημα. Ως αποτέλεσμα, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η περιστροφή των ουράνιων σωμάτων γύρω από τον Ήλιο είναι δυνατή μόνο εάν ενεργούν βαρυτικές δυνάμεις μεταξύ αυτού και των ίδιων των πλανητών. Συνειδητοποιώντας ότι τα ουράνια σώματα διαφέρουν από άλλα αντικείμενα μόνο ως προς το μέγεθος και τη μάζα τους, ο επιστήμονας εξήγαγε τον ακόλουθο τύπο:

F = f x (m 1 x m 2) / r 2, όπου:

• m 1, m 2 είναι οι μάζες δύο σωμάτων.
• r είναι η απόσταση μεταξύ τους σε ευθεία γραμμή.
• f είναι η σταθερά βαρύτητας, η τιμή της οποίας είναι 6,668 x 10 -8 cm 3 /g x sec 2.

Έτσι, μπορεί να υποστηριχθεί ότι οποιαδήποτε δύο αντικείμενα έλκονται μεταξύ τους. Το έργο της βαρυτικής δύναμης είναι ευθέως ανάλογο σε μέγεθος με τις μάζες αυτών των σωμάτων και αντιστρόφως ανάλογο με την απόσταση μεταξύ τους στο τετράγωνο.

Χαρακτηριστικά χρήσης του τύπου

Με την πρώτη ματιά, φαίνεται ότι η χρήση της μαθηματικής περιγραφής του νόμου της έλξης είναι αρκετά απλή. Ωστόσο, αν το καλοσκεφτείτε, αυτός ο τύπος έχει νόημα μόνο για δύο μάζες, τα μεγέθη των οποίων είναι αμελητέα μικρά σε σχέση με την απόσταση μεταξύ τους. Και τόσο πολύ που μπορεί να τους μπερδέψουν με δύο βαθμούς. Αλλά τι να κάνουμε τότε όταν η απόσταση είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος των σωμάτων και τα ίδια έχουν ακανόνιστο σχήμα; Χωρίστε τα σε μέρη, προσδιορίστε τις μεταξύ τους βαρυτικές δυνάμεις και υπολογίστε το προκύπτον; Εάν ναι, πόσοι βαθμοί πρέπει να ληφθούν για τον υπολογισμό; Όπως μπορείτε να δείτε, δεν είναι όλα τόσο απλά.

Και αν λάβουμε υπόψη (από τη σκοπιά των μαθηματικών) ότι ένα σημείο δεν έχει διαστάσεις, τότε αυτή η κατάσταση μοιάζει εντελώς απελπιστική. Ευτυχώς, οι επιστήμονες έχουν βρει έναν τρόπο να κάνουν υπολογισμούς σε αυτή την περίπτωση. Χρησιμοποιούν την ολοκληρωτική συσκευή και η ουσία της μεθόδου είναι ότι το αντικείμενο χωρίζεται σε έναν άπειρο αριθμό μικρών κύβων, οι μάζες των οποίων συγκεντρώνονται στα κέντρα τους. Στη συνέχεια, συντάσσεται ένας τύπος για να βρεθεί η προκύπτουσα δύναμη και εφαρμόζεται μια περιοριστική μετάβαση, μέσω της οποίας ο όγκος κάθε συστατικού στοιχείου μειώνεται σε ένα σημείο (μηδέν) και ο αριθμός τέτοιων στοιχείων ορμάει στο άπειρο. Χάρη σε αυτή την τεχνική, κατέστη δυνατό να εξαχθούν ορισμένα σημαντικά συμπεράσματα.

1. Αν το σώμα είναι μια μπάλα (σφαίρα), της οποίας η πυκνότητα είναι ομοιόμορφη, τότε έλκει οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο προς τον εαυτό του σαν να είναι συγκεντρωμένη όλη η μάζα του στο κέντρο του. Επομένως, με κάποιο λάθος, αυτό το συμπέρασμα μπορεί να εφαρμοστεί σε πλανήτες.
2. Όταν η πυκνότητα ενός αντικειμένου χαρακτηρίζεται από κεντρική σφαιρική συμμετρία, αλληλεπιδρά με άλλα αντικείμενα σαν να βρισκόταν όλη η μάζα του στο σημείο συμμετρίας. Έτσι, αν πάρετε μια κούφια μπάλα (για παράδειγμα, ή πολλές μπάλες φωλιασμένες η μία μέσα στην άλλη (όπως οι κούκλες που φωλιάζουν), τότε θα προσελκύσουν άλλα σώματα με τον ίδιο τρόπο όπως ένα υλικό σημείο που έχει την κοινή τους μάζα και βρίσκεται στο κέντρο θα έκανα.

Δεν είναι μυστικό ότι ο νόμος της παγκόσμιας έλξης ανακαλύφθηκε από τον μεγάλο Άγγλο επιστήμονα Ισαάκ Νεύτωνα, ο οποίος, σύμφωνα με το μύθο, περπατούσε στον βραδινό κήπο και σκεφτόταν τα προβλήματα της φυσικής. Εκείνη τη στιγμή, ένα μήλο έπεσε από το δέντρο (σύμφωνα με μια εκδοχή, απευθείας στο κεφάλι του φυσικού, σύμφωνα με μια άλλη, απλά έπεσε), το οποίο αργότερα έγινε το διάσημο μήλο του Νεύτωνα, καθώς οδήγησε τον επιστήμονα σε μια διορατικότητα, ένα εύρηκα. Το μήλο που έπεσε στο κεφάλι του Νεύτωνα τον ενέπνευσε να ανακαλύψει τον νόμο της παγκόσμιας έλξης, επειδή η Σελήνη στον νυχτερινό ουρανό παρέμεινε ακίνητη, αλλά το μήλο έπεσε, ίσως ο επιστήμονας νόμιζε ότι κάποια δύναμη ενεργούσε στη Σελήνη (αναγκάζοντας την να περιστρέφεται σε τροχιά), έτσι στο μήλο, με αποτέλεσμα να πέσει στο έδαφος.

Τώρα, σύμφωνα με ορισμένους ιστορικούς της επιστήμης, όλη αυτή η ιστορία για το μήλο είναι απλώς μια όμορφη μυθοπλασία. Στην πραγματικότητα, το αν το μήλο έπεσε ή όχι δεν είναι τόσο σημαντικό· αυτό που είναι σημαντικό είναι ότι ο επιστήμονας ανακάλυψε και διατύπωσε τον νόμο της παγκόσμιας έλξης, ο οποίος είναι πλέον ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους τόσο της φυσικής όσο και της αστρονομίας.

Φυσικά, πολύ πριν από τον Νεύτωνα, οι άνθρωποι παρατήρησαν τόσο πράγματα που πέφτουν στο έδαφος όσο και αστέρια στον ουρανό, αλλά πριν από αυτόν πίστευαν ότι υπήρχαν δύο τύποι βαρύτητας: η επίγεια (ενεργεί αποκλειστικά μέσα στη Γη, προκαλώντας την πτώση των σωμάτων) και την ουράνια ( ενεργώντας στα αστέρια και το φεγγάρι). Ο Νεύτωνας ήταν ο πρώτος που συνδύασε αυτούς τους δύο τύπους βαρύτητας στο κεφάλι του, ο πρώτος που κατάλαβε ότι υπάρχει μόνο μία βαρύτητα και η δράση της μπορεί να περιγραφεί από έναν παγκόσμιο φυσικό νόμο.

Ορισμός του νόμου της παγκόσμιας έλξης

Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, όλα τα υλικά σώματα έλκονται μεταξύ τους και η δύναμη έλξης δεν εξαρτάται από τις φυσικές ή χημικές ιδιότητες των σωμάτων. Εξαρτάται, αν όλα απλοποιηθούν όσο το δυνατόν περισσότερο, μόνο από το βάρος των σωμάτων και την απόσταση μεταξύ τους. Πρέπει επίσης να λάβετε επιπλέον υπόψη το γεγονός ότι όλα τα σώματα στη Γη επηρεάζονται από τη βαρυτική δύναμη του ίδιου του πλανήτη μας, η οποία ονομάζεται βαρύτητα (από τα λατινικά η λέξη "gravitas" μεταφράζεται ως βαρύτητα).

Ας προσπαθήσουμε τώρα να διατυπώσουμε και να γράψουμε τον νόμο της παγκόσμιας έλξης όσο το δυνατόν συνοπτικά: η δύναμη έλξης μεταξύ δύο σωμάτων με μάζες m1 και m2 και χωρίζονται από απόσταση R είναι ευθέως ανάλογη και των δύο μαζών και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο του την απόσταση μεταξύ τους.

Τύπος για τον νόμο της παγκόσμιας έλξης

Παρακάτω παρουσιάζουμε στην προσοχή σας τον τύπο του νόμου της παγκόσμιας έλξης.

Το G σε αυτόν τον τύπο είναι η σταθερά βαρύτητας, ίση με 6,67408(31) 10 −11, αυτό είναι το μέγεθος της πρόσκρουσης της βαρυτικής δύναμης του πλανήτη μας σε οποιοδήποτε υλικό αντικείμενο.

Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης και της έλλειψης βαρύτητας των σωμάτων

Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης που ανακαλύφθηκε από τον Νεύτωνα, καθώς και η συνοδευτική μαθηματική συσκευή, αποτέλεσαν αργότερα τη βάση της ουράνιας μηχανικής και της αστρονομίας, επειδή με τη βοήθειά του είναι δυνατόν να εξηγηθεί η φύση της κίνησης των ουράνιων σωμάτων, καθώς και το φαινόμενο της έλλειψης βαρύτητας. Όντας στο διάστημα σε σημαντική απόσταση από τη δύναμη έλξης και βαρύτητας ενός τόσο μεγάλου σώματος όπως ένας πλανήτης, οποιοδήποτε υλικό αντικείμενο (για παράδειγμα, ένα διαστημόπλοιο με αστροναύτες επί του σκάφους) θα βρεθεί σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας, καθώς η δύναμη της βαρυτικής επιρροής της Γης (G στον τύπο του νόμου της βαρύτητας) ή κάποιος άλλος πλανήτης δεν θα τον επηρεάζει πλέον.

Νόμος της παγκόσμιας έλξης, βίντεο

Και εν κατακλείδι, ένα διδακτικό βίντεο για την ανακάλυψη του νόμου της παγκόσμιας έλξης.

Παρά το γεγονός ότι η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη αλληλεπίδραση μεταξύ αντικειμένων στο Σύμπαν, η σημασία της στη φυσική και την αστρονομία είναι τεράστια, καθώς μπορεί να επηρεάσει φυσικά αντικείμενα σε οποιαδήποτε απόσταση στο διάστημα.

Εάν ενδιαφέρεστε για την αστρονομία, πιθανότατα έχετε αναρωτηθεί ποια είναι μια τέτοια έννοια όπως η βαρύτητα ή ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας. Η βαρύτητα είναι η καθολική θεμελιώδης αλληλεπίδραση μεταξύ όλων των αντικειμένων στο Σύμπαν.

Η ανακάλυψη του νόμου της βαρύτητας αποδίδεται στον διάσημο Άγγλο φυσικό Ισαάκ Νεύτωνα. Μάλλον πολλοί από εσάς γνωρίζετε την ιστορία του μήλου που έπεσε στο κεφάλι του διάσημου επιστήμονα. Ωστόσο, αν κοιτάξετε βαθιά στην ιστορία, μπορείτε να δείτε ότι η παρουσία της βαρύτητας είχε σκεφτεί πολύ πριν από την εποχή του οι φιλόσοφοι και οι επιστήμονες της αρχαιότητας, για παράδειγμα, ο Επίκουρος. Ωστόσο, ήταν ο Νεύτων που περιέγραψε πρώτος τη βαρυτική αλληλεπίδραση μεταξύ φυσικών σωμάτων στο πλαίσιο της κλασικής μηχανικής. Η θεωρία του αναπτύχθηκε από έναν άλλο διάσημο επιστήμονα, τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος στη γενική θεωρία της σχετικότητας περιέγραψε με μεγαλύτερη ακρίβεια την επίδραση της βαρύτητας στο διάστημα, καθώς και τον ρόλο της στο χωροχρονικό συνεχές.

Ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας του Νεύτωνα δηλώνει ότι η δύναμη της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο σημείων μάζας που χωρίζονται από απόσταση είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης και ευθέως ανάλογη και με τις δύο μάζες. Η δύναμη της βαρύτητας είναι μεγάλης εμβέλειας. Δηλαδή, ανεξάρτητα από το πώς κινείται ένα σώμα με μάζα, στην κλασική μηχανική το βαρυτικό του δυναμικό θα εξαρτηθεί καθαρά από τη θέση αυτού του αντικειμένου σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός αντικειμένου, τόσο μεγαλύτερο είναι το βαρυτικό του πεδίο - τόσο πιο ισχυρή είναι η βαρυτική δύναμη που έχει. Τα διαστημικά αντικείμενα όπως οι γαλαξίες, τα αστέρια και οι πλανήτες έχουν τη μεγαλύτερη βαρυτική δύναμη και, κατά συνέπεια, αρκετά ισχυρά βαρυτικά πεδία.

Βαρυτικά πεδία

Το βαρυτικό πεδίο της Γης

Το βαρυτικό πεδίο είναι η απόσταση εντός της οποίας λαμβάνει χώρα η βαρυτική αλληλεπίδραση μεταξύ αντικειμένων στο Σύμπαν. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός αντικειμένου, τόσο ισχυρότερο είναι το βαρυτικό του πεδίο - τόσο πιο αισθητή η επίδρασή του σε άλλα φυσικά σώματα μέσα σε ένα συγκεκριμένο χώρο. Το βαρυτικό πεδίο ενός αντικειμένου είναι δυναμικό. Η ουσία της προηγούμενης δήλωσης είναι ότι εάν εισαγάγετε τη δυνητική ενέργεια έλξης μεταξύ δύο σωμάτων, τότε δεν θα αλλάξει αφού μετακινήσετε το τελευταίο κατά μήκος ενός κλειστού βρόχου. Από εδώ προέρχεται ένας άλλος διάσημος νόμος διατήρησης του αθροίσματος του δυναμικού και της κινητικής ενέργειας σε έναν κλειστό βρόχο.

Στον υλικό κόσμο, το βαρυτικό πεδίο έχει μεγάλη σημασία. Διακατέχεται από όλα τα υλικά αντικείμενα στο Σύμπαν που έχουν μάζα. Το βαρυτικό πεδίο μπορεί να επηρεάσει όχι μόνο την ύλη, αλλά και την ενέργεια. Λόγω της επιρροής των βαρυτικών πεδίων τέτοιων μεγάλων κοσμικών αντικειμένων όπως οι μαύρες τρύπες, τα κβάζαρ και τα υπερμεγέθη αστέρια σχηματίζονται ηλιακά συστήματα, γαλαξίες και άλλα αστρονομικά σμήνη, τα οποία χαρακτηρίζονται από μια λογική δομή.

Πρόσφατα επιστημονικά δεδομένα δείχνουν ότι η περίφημη επίδραση της διαστολής του Σύμπαντος βασίζεται επίσης στους νόμους της βαρυτικής αλληλεπίδρασης. Συγκεκριμένα, η διαστολή του Σύμπαντος διευκολύνεται από ισχυρά βαρυτικά πεδία, τόσο των μικρών όσο και των μεγαλύτερων αντικειμένων του.

Βαρυτική ακτινοβολία σε δυαδικό σύστημα

Η βαρυτική ακτινοβολία ή βαρυτικό κύμα είναι ένας όρος που εισήχθη για πρώτη φορά στη φυσική και την κοσμολογία από τον διάσημο επιστήμονα Άλμπερτ Αϊνστάιν. Η βαρυτική ακτινοβολία στη θεωρία της βαρύτητας παράγεται από την κίνηση υλικών αντικειμένων με μεταβλητή επιτάχυνση. Κατά την επιτάχυνση ενός αντικειμένου, ένα βαρυτικό κύμα φαίνεται να «αποσπάται» από αυτό, γεγονός που οδηγεί σε ταλαντώσεις του βαρυτικού πεδίου στον περιβάλλοντα χώρο. Αυτό ονομάζεται φαινόμενο βαρυτικού κύματος.

Αν και τα βαρυτικά κύματα προβλέπονται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν καθώς και από άλλες θεωρίες της βαρύτητας, δεν έχουν ποτέ εντοπιστεί άμεσα. Αυτό οφείλεται πρωτίστως στην εξαιρετική τους μικρότητα. Ωστόσο, στην αστρονομία υπάρχουν έμμεσα στοιχεία που μπορούν να επιβεβαιώσουν αυτό το αποτέλεσμα. Έτσι, η επίδραση ενός βαρυτικού κύματος μπορεί να παρατηρηθεί στο παράδειγμα της σύγκλισης διπλών αστέρων. Οι παρατηρήσεις επιβεβαιώνουν ότι ο ρυθμός σύγκλισης των διπλών άστρων εξαρτάται σε κάποιο βαθμό από την απώλεια ενέργειας από αυτά τα κοσμικά αντικείμενα, η οποία πιθανώς ξοδεύεται στη βαρυτική ακτινοβολία. Οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να επιβεβαιώσουν αξιόπιστα αυτήν την υπόθεση στο εγγύς μέλλον χρησιμοποιώντας τη νέα γενιά προηγμένων τηλεσκοπίων LIGO και VIRGO.

Στη σύγχρονη φυσική, υπάρχουν δύο έννοιες της μηχανικής: η κλασική και η κβαντική. Η κβαντομηχανική αναπτύχθηκε σχετικά πρόσφατα και είναι θεμελιωδώς διαφορετική από την κλασική μηχανική. Στην κβαντομηχανική, τα αντικείμενα (κβάντα) δεν έχουν καθορισμένες θέσεις και ταχύτητες· όλα εδώ βασίζονται στην πιθανότητα. Δηλαδή, ένα αντικείμενο μπορεί να καταλάβει μια συγκεκριμένη θέση στο χώρο σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Το πού θα κινηθεί στη συνέχεια δεν μπορεί να προσδιοριστεί με αξιοπιστία, αλλά μόνο με μεγάλη πιθανότητα.

Ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα της βαρύτητας είναι ότι μπορεί να κάμψει το χωροχρονικό συνεχές. Η θεωρία του Αϊνστάιν δηλώνει ότι στο χώρο γύρω από μια δέσμη ενέργειας ή οποιαδήποτε υλική ουσία, ο χωροχρόνος είναι καμπύλος. Αντίστοιχα, η τροχιά των σωματιδίων που πέφτουν υπό την επίδραση του βαρυτικού πεδίου αυτής της ουσίας αλλάζει, γεγονός που καθιστά δυνατή την πρόβλεψη της τροχιάς της κίνησής τους με υψηλό βαθμό πιθανότητας.

Θεωρίες της βαρύτητας

Σήμερα οι επιστήμονες γνωρίζουν πάνω από δώδεκα διαφορετικές θεωρίες βαρύτητας. Χωρίζονται σε κλασικές και εναλλακτικές θεωρίες. Ο πιο διάσημος εκπρόσωπος της πρώτης είναι η κλασική θεωρία της βαρύτητας του Ισαάκ Νεύτωνα, η οποία επινοήθηκε από τον διάσημο Βρετανό φυσικό το 1666. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι ένα τεράστιο σώμα στη μηχανική δημιουργεί ένα βαρυτικό πεδίο γύρω του, το οποίο προσελκύει μικρότερα αντικείμενα. Με τη σειρά τους, τα τελευταία έχουν επίσης ένα βαρυτικό πεδίο, όπως όλα τα άλλα υλικά αντικείμενα στο Σύμπαν.

Η επόμενη δημοφιλής θεωρία της βαρύτητας επινοήθηκε από τον παγκοσμίου φήμης Γερμανό επιστήμονα Άλμπερτ Αϊνστάιν στις αρχές του 20ου αιώνα. Ο Αϊνστάιν μπόρεσε να περιγράψει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη βαρύτητα ως φαινόμενο και επίσης να εξηγήσει τη δράση της όχι μόνο στην κλασική μηχανική, αλλά και στον κβαντικό κόσμο. Η γενική του θεωρία της σχετικότητας περιγράφει την ικανότητα μιας δύναμης όπως η βαρύτητα να επηρεάζει το χωροχρονικό συνεχές, καθώς και την τροχιά των στοιχειωδών σωματιδίων στο διάστημα.

Από τις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας, ίσως τη μεγαλύτερη προσοχή αξίζει η σχετικιστική θεωρία, την οποία επινόησε ο συμπατριώτης μας, ο διάσημος φυσικός Α.Α. Λογκούνοφ. Σε αντίθεση με τον Αϊνστάιν, ο Logunov υποστήριξε ότι η βαρύτητα δεν είναι ένα γεωμετρικό, αλλά ένα πραγματικό, αρκετά ισχυρό φυσικό πεδίο δύναμης. Μεταξύ των εναλλακτικών θεωριών της βαρύτητας, είναι επίσης γνωστές οι βαθμωτές, οι διμετρικές, οι quasilinear και άλλες.

1. Για τους ανθρώπους που έχουν βρεθεί στο διάστημα και επέστρεψαν στη Γη, είναι αρκετά δύσκολο στην αρχή να συνηθίσουν τη δύναμη της βαρυτικής επιρροής του πλανήτη μας. Μερικές φορές αυτό διαρκεί αρκετές εβδομάδες.
2. Έχει αποδειχθεί ότι το ανθρώπινο σώμα σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας μπορεί να χάσει έως και 1% της μάζας του μυελού των οστών ανά μήνα.
3. Μεταξύ των πλανητών του ηλιακού συστήματος, ο Άρης έχει τη μικρότερη βαρυτική δύναμη και ο Δίας τη μεγαλύτερη.
4. Τα γνωστά βακτήρια σαλμονέλας, που προκαλούν εντερικές ασθένειες, συμπεριφέρονται πιο ενεργά σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας και είναι ικανά να προκαλέσουν πολύ μεγαλύτερη βλάβη στον ανθρώπινο οργανισμό.
5. Μεταξύ όλων των γνωστών αστρονομικών αντικειμένων στο Σύμπαν, οι μαύρες τρύπες έχουν τη μεγαλύτερη βαρυτική δύναμη. Μια μαύρη τρύπα στο μέγεθος μιας μπάλας του γκολφ θα μπορούσε να έχει την ίδια βαρυτική δύναμη με ολόκληρο τον πλανήτη μας.
6. Η δύναμη της βαρύτητας στη Γη δεν είναι ίδια σε όλες τις γωνιές του πλανήτη μας. Για παράδειγμα, στην περιοχή Hudson Bay του Καναδά είναι χαμηλότερο από ό,τι σε άλλες περιοχές του πλανήτη.