Hva er gravitasjonskraften i fysikkdefinisjon. Tyngdekraften og universell gravitasjonskraft

Høydene der kunstige satellitter beveger seg er allerede sammenlignbare med jordens radius, slik at for å beregne banen deres, er det absolutt nødvendig å ta hensyn til endringen i tyngdekraften med økende avstand.

Så Galileo hevdet at alle kropper frigjort fra en viss høyde nær jordoverflaten vil falle med samme akselerasjon g (hvis luftmotstanden neglisjeres). Kraften som forårsaker denne akselerasjonen kalles tyngdekraften. La oss anvende Newtons andre lov på tyngdekraften, betraktet som akselerasjon en tyngdeakselerasjon g . Dermed kan tyngdekraften som virker på kroppen skrives som:

F g =mg

Denne kraften er rettet nedover mot jordens sentrum.

Fordi i SI-systemet g = 9,8 , så er tyngdekraften som virker på et legeme med en masse på 1 kg.

Vi bruker formelen til loven om universell gravitasjon for å beskrive tyngdekraften - tyngdekraften mellom jorden og et legeme som ligger på overflaten. Da vil m 1 bli erstattet av jordens masse m 3, og r - av avstanden til jordens sentrum, dvs. til jordens radius r 3 . Dermed får vi:

Hvor m er massen til et legeme på jordoverflaten. Av denne likestillingen følger det at:

Med andre ord, akselerasjonen av fritt fall på jordoverflaten g bestemmes av verdiene m 3 og r 3 .

På Månen, på andre planeter eller i verdensrommet vil tyngdekraften som virker på et legeme med samme masse være forskjellig. For eksempel på månen verdien g representerer bare en sjettedel g på jorden, og et legeme med en masse på 1 kg påvirkes av en tyngdekraft lik bare 1,7 N.

Inntil gravitasjonskonstanten G ble målt, forble jordens masse ukjent. Og først etter at G ble målt, ved hjelp av forholdet, var det mulig å beregne jordens masse. Dette ble først gjort av Henry Cavendish selv. Ved å erstatte akselerasjonen av fritt fall i formelen med verdien g=9,8m/s og jordens radius r z =6,3810 6 får vi følgende verdi av jordens masse:

For gravitasjonskraften som virker på legemer nær jordoverflaten, kan man ganske enkelt bruke uttrykket mg. Hvis det er nødvendig å beregne tiltrekningskraften som virker på et legeme som ligger i en viss avstand fra jorden, eller kraften forårsaket av et annet himmellegeme (for eksempel månen eller en annen planet), bør verdien av g brukes, beregnet ved hjelp av den velkjente formelen, der r 3 og m 3 må erstattes av tilsvarende avstand og masse, kan du også direkte bruke formelen for universell gravitasjonslov. Det finnes flere metoder for å bestemme akselerasjonen på grunn av tyngdekraften svært nøyaktig. Man kan finne g ganske enkelt ved å veie en standardvekt på en fjærvekt. Geologiske skalaer må være fantastiske - fjæren deres endrer spenning når en belastning på mindre enn en milliondel av et gram legges til. Utmerkede resultater er gitt av torsjonskvartsvekter. Enheten deres er i prinsippet enkel. En spak er sveiset til et horisontalt strukket kvartsfilament, med vekten som filamentet er litt vridd:

Pendelen brukes også til samme formål. Inntil nylig var pendelmetoder for å måle g de eneste, og bare på 60-70-tallet. De begynte å bli erstattet av mer praktiske og nøyaktige vektmetoder. I alle fall, ved å måle svingeperioden til en matematisk pendel, kan formelen brukes til å finne verdien av g ganske nøyaktig. Ved å måle verdien av g forskjellige steder på samme instrument kan man bedømme de relative endringene i tyngdekraften med en nøyaktighet på deler per million.

Verdiene av gravitasjonsakselerasjonen g på forskjellige punkter på jorden er litt forskjellige. Fra formelen g = Gm 3 kan man se at verdien av g må være mindre, for eksempel på toppen av fjell enn ved havnivå, siden avstanden fra jordens sentrum til toppen av fjellet er noe større. Dette faktum ble faktisk etablert eksperimentelt. Imidlertid formelen g=Gm 3 /r 3 2 gir ikke en eksakt verdi av g på alle punkter, siden jordens overflate ikke er akkurat sfærisk: ikke bare eksisterer fjell og hav på overflaten, men det er også en endring i jordens radius ved ekvator; i tillegg er jordens masse ikke jevnt fordelt; Jordens rotasjon påvirker også endringen i g.

Egenskapene til gravitasjonsakselerasjon viste seg imidlertid å være mer kompliserte enn Galileo trodde. Finn ut at størrelsen på akselerasjonen avhenger av breddegraden den måles på:

Størrelsen på akselerasjonen for fritt fall varierer også med høyden over jordens overflate:

Ger alltid rettet vertikalt nedover, men langs en loddlinje på et gitt sted på jorden.

Således, på samme breddegrad og i samme høyde over havet, bør tyngdeakselerasjonen være den samme. Nøyaktige målinger viser at det svært ofte er avvik fra denne normen - gravitasjonsanomalier. Årsaken til anomaliene er den inhomogene massefordelingen nær målestedet.

Som allerede nevnt kan gravitasjonskraften fra siden av et stort legeme representeres som summen av kreftene som virker fra de enkelte partiklene til et stort legeme. Pendelens tiltrekning av Jorden er et resultat av virkningen av alle jordens partikler på den. Men det er klart at nære partikler gir det største bidraget til den totale kraften – tiltrekningen er tross alt omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden.

Hvis tunge masser konsentreres nær målestedet, vil g være større enn normen, ellers er g mindre enn normen.

Hvis for eksempel g måles på et fjell eller på et fly som flyr over havet på høyde med et fjell, vil man i det første tilfellet få et stort tall. Også over normen er verdien av g på bortgjemte oseaniske øyer. Det er klart at i begge tilfeller er økningen i g forklart av konsentrasjonen av tilleggsmasser på målestedet.

Ikke bare verdien av g, men også tyngdekraftens retning kan avvike fra normen. Hvis du henger en last på en tråd, vil den langstrakte tråden vise vertikalen for dette stedet. Denne vertikalen kan avvike fra normen. Den "normale" retningen til vertikalen er kjent for geologer fra spesielle kart, som den "ideelle" figuren til jorden er bygget på i henhold til dataene om verdiene til g.

La oss gjøre et eksperiment med et lodd ved foten av et stort fjell. Vekten av en lodd trekkes av jorden til sentrum og av fjellet - til siden. Loddledningen må under slike forhold avvike fra retningen til normal vertikal. Siden jordens masse er mye større enn massen til fjellet, overstiger ikke slike avvik noen få buesekunder.

Den "normale" vertikalen bestemmes av stjernene, siden det for ethvert geografisk punkt er blitt beregnet på hvilket sted på himmelen på et gitt tidspunkt på dagen og året vertikalen til den "ideelle" figuren på jorden "hviler".

Avvik i lodd fører noen ganger til merkelige resultater. For eksempel, i Firenze, fører påvirkningen fra Appenninene ikke til tiltrekning, men til frastøting av loddlinjen. Det kan bare være én forklaring: det er store tomrom i fjellene.

Et bemerkelsesverdig resultat oppnås ved å måle tyngdeakselerasjonen på skalaen til kontinenter og hav. Kontinentene er mye tyngre enn havene, så det ser ut til at g-verdiene over kontinentene burde være større. Enn over havet. I virkeligheten er verdiene av g, langs samme breddegrad over havene og kontinentene, i gjennomsnitt de samme.

Igjen er det bare én forklaring: kontinentene hviler på lettere bergarter, og havene på tyngre. Faktisk, der direkte leting er mulig, fastslår geologer at havene hviler på tunge basaltbergarter, og kontinentene på lette granitter.

Men følgende spørsmål oppstår umiddelbart: hvorfor kompenserer tunge og lette steiner nøyaktig for forskjellen i vekt mellom kontinenter og hav? Slik kompensasjon kan ikke være tilfeldig, dens årsaker må være forankret i strukturen til jordskallet.

Geologer mener at de øvre delene av jordskorpen ser ut til å flyte på den underliggende plasten, det vil si lett deformerbare masse. Trykket på dybder på ca. 100 km skal være det samme overalt, akkurat som trykket i bunnen av et kar med vann, der trestykker av ulik vekt flyter, er det samme. Derfor bør en søyle av stoff med et areal på 1 m 2 fra overflaten til en dybde på 100 km ha samme vekt både under havet og under kontinentene.

Denne utjevningen av trykk (det kalles isostasi) fører til at over havene og kontinentene langs samme breddegradslinje, er verdien av tyngdeakselerasjonen g ikke forskjellig vesentlig. Lokale gravitasjonsanomalier tjener geologisk leting, hvis formål er å finne forekomster av mineraler under jorden, uten å grave hull, uten å grave gruver.

Tung malm må søkes på de stedene hvor g er størst. Tvert imot, avleiringer av lett salt oppdages av lokalt underestimerte verdier på g. Du kan måle g til nærmeste milliontedel av 1 m/s 2 .

Rekognoseringsmetoder som bruker pendler og ultrapresise skalaer kalles gravitasjon. De er av stor praktisk betydning, spesielt for letingen etter olje. Faktum er at med gravitasjonsmetoder for leting er det lett å oppdage underjordiske saltkupler, og veldig ofte viser det seg at der det er salt, er det også olje. Dessuten ligger olje i dypet, og salt er nærmere jordens overflate. Olje ble oppdaget ved gravitasjonsleting i Kasakhstan og andre steder.

I stedet for å trekke vognen med en fjær, kan den gis akselerasjon ved å feste en snor som kastes over trinsen, fra den motsatte enden av hvilken en last er opphengt. Da vil kraften som gir akselerasjon skyldes veiing denne lasten. Den frie fallakselerasjonen blir igjen gitt til kroppen av dens vekt.

I fysikk er vekt det offisielle navnet på kraften som forårsakes av tiltrekning av objekter til jordoverflaten – «tyngdekraftens tiltrekning». Det faktum at kropper tiltrekkes mot jordens sentrum gjør denne forklaringen rimelig.

Uansett hvordan du definerer det, er vekt en kraft. Det er ikke forskjellig fra noen annen kraft, bortsett fra to funksjoner: vekten er rettet vertikalt og virker konstant, den kan ikke elimineres.

For direkte å måle vekten til en kropp, må vi bruke en fjærbalanse kalibrert i kraftenheter. Siden dette ofte er upraktisk, sammenligner vi en vekt med en annen ved hjelp av en balansevekt, dvs. finn sammenhengen:

JORDENS GRAVITET SOM VIRKER PÅ KROPP X JORDATTRASJON SOM PÅVIRKER MASSESTANDARDEN

Anta at kroppen X tiltrekkes 3 ganger sterkere enn massestandarden. I dette tilfellet sier vi at jordens tyngdekraft som virker på kroppen X er 30 newtons kraft, som betyr at det er 3 ganger jordens tyngdekraft som virker på et kilo masse. Begrepene masse og vekt er ofte forvirret, mellom hvilke det er en betydelig forskjell. Masse er en egenskap ved kroppen selv (det er et mål på treghet eller dens "mengde materie"). Vekt er derimot kraften som kroppen virker på støtten eller strekker opphenget med (vekten er numerisk lik tyngdekraften dersom støtten eller opphenget ikke har akselerasjon).

Hvis vi bruker en fjærvekt for å måle vekten til en gjenstand med svært høy nøyaktighet, og deretter overfører vekten til et annet sted, vil vi finne at vekten til gjenstanden på jordoverflaten varierer noe fra sted til sted. Vi vet at langt fra jordens overflate, eller i dypet av kloden, bør vekten være mye mindre.

Endrer massen seg? Forskere, som reflekterer over dette problemet, har lenge kommet til den konklusjon at massen bør forbli uendret. Selv i midten av jorden, der tyngdekraften, som virker i alle retninger, skulle produsere en nettokraft på null, ville kroppen fortsatt ha samme masse.

Dermed er massen, målt ved vanskeligheten vi møter når vi prøver å akselerere bevegelsen til en liten vogn, den samme overalt: på jordens overflate, i midten av jorden, på månen. Vekt beregnet fra forlengelsen av fjærbalansen (og følelse

i musklene i hånden til en person som holder en vekt) vil være mye mindre på månen og nesten null i midten av jorden. (fig.7)

Hvor stor er jordens tyngdekraft på forskjellige masser? Hvordan sammenligne vekten til to objekter? La oss ta to identiske stykker bly, for eksempel 1 kg hver. Jorden tiltrekker hver av dem med samme kraft, lik vekten på 10 N. Hvis du kombinerer begge delene på 2 kg, så summerer de vertikale kreftene ganske enkelt: Jorden tiltrekker seg 2 kg dobbelt så mye som 1 kg. Vi vil få nøyaktig den samme doble attraksjonen hvis vi smelter sammen begge delene til en eller legger dem oppå hverandre. Tyngdekraften til ethvert homogent materiale legger seg ganske enkelt opp, og det er ingen absorpsjon eller skjerming av ett stykke materie av et annet.

For ethvert homogent materiale er vekt proporsjonal med masse. Derfor tror vi at jorden er kilden til "tyngdekraftsfeltet" som kommer fra sentrum vertikalt og er i stand til å tiltrekke seg ethvert stykke materie. Tyngdekraftsfeltet virker på samme måte på for eksempel hvert kilo bly. Men hva med tiltrekningskreftene som virker på de samme massene av forskjellige materialer, for eksempel 1 kg bly og 1 kg aluminium? Betydningen av dette spørsmålet avhenger av hva som menes med like masser. Den enkleste måten å sammenligne masser på, som brukes i vitenskapelig forskning og i kommersiell praksis, er bruk av en balanseskala. De sammenligner kreftene som trekker begge lastene. Men gitt på denne måten de samme massene av for eksempel bly og aluminium, kan vi anta at like vekter har like masser. Men faktisk, her snakker vi om to helt forskjellige typer masse - treghets- og gravitasjonsmasse.

Mengde i formelen Representerer en treghetsmasse. I forsøk med traller, som akselereres av en fjær, fungerer verdien som en karakteristikk av "stoffets tyngde" som viser hvor vanskelig det er å gi akselerasjon til den aktuelle kroppen. Den kvantitative egenskapen er forholdet. Denne massen er et mål på treghet, tendensen til mekaniske systemer til å motstå en tilstandsendring. Masse er en egenskap som må være den samme nær jordens overflate, og på månen, og i det dype rom og i midten av jorden. Hva er dens forbindelse med tyngdekraften og hva skjer egentlig ved veiing?

Helt uavhengig av treghetsmassen kan man introdusere begrepet gravitasjonsmasse som mengden materie som er tiltrukket av jorden.

Vi tror at jordens gravitasjonsfelt er det samme for alle objekter i den, men vi tilskriver ulike

metam forskjellige masser, som er proporsjonale med feltets tiltrekning av disse objektene. Dette er gravitasjonsmassen. Vi sier at forskjellige objekter har ulik vekt fordi de har forskjellige gravitasjonsmasser som tiltrekkes av gravitasjonsfeltet. Dermed er gravitasjonsmasser per definisjon proporsjonale med vektene så vel som tyngdekraften. Gravitasjonsmassen bestemmer med hvilken kraft kroppen tiltrekkes av jorden. Samtidig er tyngdekraften gjensidig: hvis jorden tiltrekker seg en stein, så tiltrekker steinen også jorden. Dette betyr at gravitasjonsmassen til et legeme også bestemmer hvor sterkt det tiltrekker et annet legeme, Jorden. Gravitasjonsmassen måler altså mengden materie som jordens gravitasjon virker på, eller mengden materie som forårsaker gravitasjonstiltrekning mellom legemer.

Gravitasjonsattraksjonen virker på to identiske blystykker dobbelt så mye som på en. Blybitenes gravitasjonsmasser må være proporsjonale med treghetsmassene, siden massene til begge åpenbart er proporsjonale med antall blyatomer. Det samme gjelder stykker av et hvilket som helst annet materiale, for eksempel voks, men hvordan er et stykke bly sammenlignet med et stykke voks? Svaret på dette spørsmålet er gitt av et symbolsk eksperiment på studiet av fallet av kropper av forskjellige størrelser fra toppen av det skråstilte skjeve tårnet i Pisa, det som ifølge legenden ble utført av Galileo. Slipp to stykker av hvilket som helst materiale uansett størrelse. De faller med samme akselerasjon g. Kraften som virker på en kropp og gir den akselerasjon6, er jordens tiltrekning påført denne kroppen. Jordens tiltrekningskraft er proporsjonal med gravitasjonsmassen. Men tyngdekraften gir samme akselerasjon g til alle legemer. Derfor må tyngdekraften, i likhet med vekten, være proporsjonal med treghetsmassen. Derfor inneholder kropper av enhver form de samme proporsjonene av begge massene.

Hvis vi tar 1 kg som en enhet av begge massene, vil gravitasjons- og treghetsmassene være de samme for alle legemer uansett størrelse fra ethvert materiale og hvor som helst.

Her er hvordan det er bevist. La oss sammenligne kilogramstandarden laget av platina6 med en stein med ukjent masse. La oss sammenligne deres treghetsmasser ved å bevege hvert av legene etter tur i horisontal retning under påvirkning av en kraft og måle akselerasjonen. Anta at massen til steinen er 5,31 kg. Jordens tyngdekraft er ikke involvert i denne sammenligningen. Deretter sammenligner vi gravitasjonsmassene til begge legemer ved å måle gravitasjonsattraksjonen mellom hver av dem og et tredje legeme, ganske enkelt Jorden. Dette kan gjøres ved å veie begge kroppene. Det får vi se gravitasjonsmassen til steinen er også 5,31 kg.

Mer enn et halvt århundre før Newton foreslo sin lov om universell gravitasjon, oppdaget Johannes Kepler (1571-1630) at «den intrikate bevegelsen til planetene i solsystemet kunne beskrives med tre enkle lover. Keplers lover forsterket troen på den kopernikanske hypotesen om at planetene også kretser rundt solen.

Å hevde på begynnelsen av 1600-tallet at planetene er rundt solen og ikke rundt jorden var det største kjetteriet. Giordano Bruno, som åpent forsvarte det kopernikanske systemet, ble fordømt som kjetter av den hellige inkvisisjonen og brent på bålet. Selv den store Gallileo, til tross for sitt nære vennskap med paven, ble fengslet, fordømt av inkvisisjonen og tvunget til offentlig å gi avkall på sine synspunkter.

I disse dager ble læren til Aristoteles og Ptolemaios ansett som hellig og ukrenkelig, og sa at planetenes baner oppstår som et resultat av komplekse bevegelser langs et system av sirkler. Så for å beskrive Mars bane, var det nødvendig med et titalls sirkler med forskjellige diametre. Johannes Kepler satte i oppgave å «bevise» at Mars og Jorden må dreie rundt Solen. Han prøvde å finne en bane med den enkleste geometriske formen, som nøyaktig ville samsvare med de tallrike målingene av planetens posisjon. År med kjedelige beregninger gikk før Kepler var i stand til å formulere tre enkle lover som meget nøyaktig beskriver bevegelsen til alle planeter:

Første lov: Hver planet beveger seg i en ellipse

et av fokusene er

Andre lov: Radiusvektor (linjen som forbinder solen

og planeten) beskriver med like intervaller

tid like områder

Tredje lov: Firkantene til periodene til planetene

proporsjonal med kubene til deres midler

avstander fra solen:

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

Betydningen av Keplers verk er enorm. Han oppdaget lovene som Newton da koblet til loven om universell gravitasjon.Kepler selv skjønte selvfølgelig ikke hva hans oppdagelser ville føre til. "Han var engasjert i kjedelige hint av empiriske regler, som i fremtiden Newton skulle føre til en rasjonell form." Kepler kunne ikke forklare hvorfor eksistensen av elliptiske baner, men beundret det faktum at de eksisterer.

På grunnlag av Keplers tredje lov konkluderte Newton med at tiltrekningskreftene må avta med økende avstand, og at tiltrekningen må endres som (avstand) -2. Ved å oppdage loven om universell gravitasjon, overførte Newton den enkle ideen om månens bevegelse til hele planetsystemet. Han viste at tiltrekning, i henhold til lovene han utledet, bestemmer bevegelsen til planetene i elliptiske baner, og solen bør være i en av brennpunktene til ellipsen. Han var i stand til enkelt å utlede to andre lover fra Kepler, som også følger av hypotesen hans om universell gravitasjon. Disse lovene er gyldige hvis bare tiltrekningen til solen tas i betraktning. Men man må også ta hensyn til effekten av andre planeter på en planet i bevegelse, selv om disse attraksjonene i solsystemet er små sammenlignet med solens tiltrekning.

Keplers andre lov følger av tiltrekningskraftens vilkårlige avhengighet av avstand, hvis denne kraften virker langs en rett linje som forbinder sentrene til planeten og solen. Men Keplers første og tredje lov oppfylles bare av loven om omvendt proporsjonalitet av tiltrekningskreftene til kvadratet av avstanden.

For å få Keplers tredje lov, kombinerte Newton ganske enkelt bevegelseslovene med loven om universell gravitasjon. For sirkulære baner kan man argumentere som følger: la en planet med masse lik m bevege seg med en hastighet v langs en sirkel med radius R rundt solen, hvis masse er lik M. Denne bevegelsen kan utføres bare hvis en ytre kraft virker på planeten F = mv 2 /R, som skaper en sentripetalakselerasjon v 2 /R. Anta at tiltrekningen mellom solen og planeten bare skaper den nødvendige kraften. Deretter:

GMm/r2 = mv2/R

og avstanden r mellom m og M er lik radiusen til banen R. Men hastigheten

der T er tiden det tar planeten å gjøre én revolusjon. Deretter

For å få Keplers tredje lov, må du flytte alle R og T til den ene siden av ligningen, og alle andre størrelser til den andre:

R 3 /T 2 \u003d GM / 4 2

Hvis vi nå går over til en annen planet med en annen omløpsradius og omdreiningsperiode, vil det nye forholdet igjen være lik GM/4 2 ; denne verdien vil være den samme for alle planeter, siden G er en universell konstant, og massen M er den samme for alle planeter som roterer rundt Solen. Dermed vil verdien av R 3 /T 2 være lik for alle planeter i henhold til Keplers tredje lov. Denne beregningen lar deg få den tredje loven for elliptiske baner, men i dette tilfellet er R gjennomsnittsverdien mellom den største og minste avstanden til planeten fra solen.

Bevæpnet med kraftige matematiske metoder og veiledet av utmerket intuisjon, brukte Newton sin teori på et stort antall problemer inkludert i hans PRINSIPPER angående egenskapene til Månen, Jorden, andre planeter og deres bevegelser, samt andre himmellegemer: satellitter, kometer.

Månen opplever mange forstyrrelser som avviker fra en jevn sirkulær bevegelse. Først av alt, beveger den seg langs en Keplerian ellipse, i et av fokusene som er jorden, som enhver satellitt. Men denne banen opplever små variasjoner på grunn av solens tiltrekning. Ved nymåne er månen nærmere solen enn fullmånen, som dukker opp to uker senere; denne årsaken endrer tiltrekningen, noe som fører til å bremse ned og fremskynde månens bevegelse i løpet av måneden. Denne effekten øker når solen er nærmere om vinteren, slik at det også observeres årlige variasjoner i månens hastighet. I tillegg endrer endringer i solattraksjon elliptisiteten til månebanen; månebanen avviker opp og ned, banens plan roterer sakte. Dermed viste Newton at de bemerkede uregelmessighetene i Månens bevegelse er forårsaket av universell gravitasjon. Han utviklet ikke problemet med solattraksjon i alle detaljer, månens bevegelse forble et komplekst problem, som utvikles med økende detalj frem til i dag.

Havvann har lenge forblitt et mysterium, som det ser ut til å kunne forklares ved å etablere deres forbindelse med månens bevegelse. Imidlertid trodde folk at en slik forbindelse egentlig ikke kunne eksistere, og til og med Galileo latterliggjorde denne ideen. Newton viste at flo og fjære i tidevannet skyldes den ujevne tiltrekningen av vann i havet fra siden av månen. Sentrum av månebanen faller ikke sammen med jordens sentrum. Månen og jorden kretser sammen rundt deres felles massesenter. Dette massesenteret ligger i en avstand på omtrent 4800 km fra jordens sentrum, bare 1600 km fra jordens overflate. Når jorden trekker på månen, trekker månen på jorden med en lik og motsatt kraft, på grunn av hvilken kraften Mv 2 /r oppstår, og får jorden til å bevege seg rundt et felles massesenter med en periode lik en måned . Den delen av havet som er nærmest Månen tiltrekkes sterkere (den er nærmere), vannet stiger - og det oppstår tidevann. Den delen av havet som ligger i større avstand fra Månen tiltrekkes svakere enn landet, og i denne delen av havet stiger også en vannpukkel. Derfor er det to høyvann på 24 timer. Solen forårsaker også tidevann, selv om det ikke er så sterkt, fordi en stor avstand fra solen jevner ut ujevnheten i attraksjonen.

Newton avslørte naturen til kometer - disse gjestene i solsystemet, som alltid har vekket interesse og til og med hellig redsel. Newton viste at kometer beveger seg i svært langstrakte elliptiske baner, med solen i vannfokus. Bevegelsen deres bestemmes, som bevegelsen til planetene, av tyngdekraften. Men de har en veldig liten størrelse, slik at de bare kan sees når de passerer nær Solen. Kometens elliptiske bane kan måles, og tidspunktet for dens retur til vår region kan forutsies nøyaktig. Deres regelmessige retur på anslåtte datoer lar oss verifisere observasjonene våre og gir nok en bekreftelse på loven om universell gravitasjon.

I noen tilfeller opplever kometen en sterk gravitasjonsforstyrrelse, passerer nær store planeter, og beveger seg til en ny bane med en annen periode. Det er derfor vi vet at kometer har liten masse: Planetene påvirker deres bevegelse, og kometer påvirker ikke planetenes bevegelse, selv om de virker på dem med samme kraft.

Kometer beveger seg så raskt og kommer så sjelden at selv i dag venter forskere på øyeblikket da moderne midler kan brukes til å studere en stor komet.

Hvis du tenker på hvilken rolle gravitasjonskrefter spiller i livet til planeten vår, åpner hele hav av fenomener seg, og til og med hav i ordets bokstavelige forstand: hav av vann, hav av luft. Uten tyngdekraften ville de ikke eksistert.

Tyngdekraften, også kjent som tiltrekning eller gravitasjon, er en universell egenskap ved materie som alle objekter og kropper i universet besitter. Tyngdekraftens essens er at alle materielle kropper tiltrekker seg alle andre kropper som er rundt.

Tyngdekraften

Hvis tyngdekraften er et generelt begrep og kvalitet som alle objekter i universet besitter, så er jordens attraksjon et spesielt tilfelle av dette altomfattende fenomenet. Jorden tiltrekker seg alle de materielle gjenstandene som er på den. Takket være dette kan mennesker og dyr trygt bevege seg rundt jorden, elver, hav og hav kan forbli innenfor kysten, og luft kan ikke fly gjennom de enorme vidder av kosmos, men danne atmosfæren til planeten vår.

Et rettferdig spørsmål oppstår: hvis alle objekter har tyngdekraft, hvorfor tiltrekker jorden mennesker og dyr til seg selv, og ikke omvendt? For det første tiltrekker vi også Jorden til oss selv, det er bare det at sammenlignet med dens tiltrekningskraft er tyngdekraften vår ubetydelig. For det andre er tyngdekraften direkte proporsjonal med kroppens masse: jo mindre kroppen er, desto lavere er gravitasjonskreftene.

Den andre indikatoren som tiltrekningskraften avhenger av er avstanden mellom objekter: jo større avstand, jo mindre er tyngdekraftens effekt. Inkludert på grunn av dette beveger planetene seg i sine baner, og faller ikke på hverandre.

Det er bemerkelsesverdig at jorden, månen, solen og andre planeter skylder sin sfæriske form nettopp på grunn av tyngdekraften. Den virker i retning av sentrum, og trekker mot seg stoffet som utgjør planetens "kropp".

Jordens gravitasjonsfelt

Jordens gravitasjonsfelt er et kraftenergifelt som dannes rundt planeten vår på grunn av virkningen av to krefter:

gravitasjon;
sentrifugalkraft, som skyldes utseendet til jordens rotasjon rundt sin akse (daglig rotasjon).

Siden både gravitasjon og sentrifugalkraft virker konstant, er gravitasjonsfeltet også et konstant fenomen.

Gravitasjonskreftene til Solen, Månen og noen andre himmellegemer, samt de atmosfæriske massene på jorden, har en ubetydelig effekt på feltet.

Tyngdeloven og Sir Isaac Newton

Den engelske fysikeren, Sir Isaac Newton, ifølge en kjent legende, så en gang i hagen om dagen, månen på himmelen. Samtidig falt et eple fra grenen. Newton studerte da bevegelsesloven og visste at et eple faller under påvirkning av et gravitasjonsfelt, og månen roterer i en bane rundt jorden.

Og så kom ideen til en briljant vitenskapsmann, opplyst av innsikt, at kanskje eplet faller til jorden, adlyder den samme kraften som månen er i sin bane på grunn av, og ikke skynder seg tilfeldig gjennom galaksen. Dette er hvordan loven om universell gravitasjon, også kjent som Newtons tredje lov, ble oppdaget.

På språket til matematiske formler ser denne loven slik ut:

F=GMm/D2 ,

hvor F- kraft av gjensidig gravitasjon mellom to kropper;

M- massen av den første kroppen;

m- massen av den andre kroppen;

D2- avstand mellom to kropper;

G- gravitasjonskonstant, lik 6,67x10 -11.

Tyngdekraften er den mektigste kraften i universet, en av de fire grunnleggende fundamentene i universet, som bestemmer dets struktur. En gang, takket være henne, oppsto planeter, stjerner og hele galakser. I dag holder den jorden i bane i sin uendelige reise rundt solen.

Attraksjon er av stor betydning for hverdagen til en person. Takket være denne usynlige kraften pulserer verdenshavene, elver flyter, regndråper faller til bakken. Siden barndommen føler vi vekten av kroppen og omkringliggende gjenstander. Tyngdekraftens innflytelse på vår økonomiske aktivitet er også enorm.

Den første teorien om gravitasjon ble skapt av Isaac Newton på slutten av 1600-tallet. Hans lov om universell gravitasjon beskriver denne interaksjonen innenfor rammen av klassisk mekanikk. Dette fenomenet ble beskrevet bredere av Einstein i hans generelle relativitetsteori, som ble publisert på begynnelsen av forrige århundre. Prosessene som skjer med tyngdekraften på nivå med elementærpartikler bør forklares av kvanteteorien om tyngdekraften, men den har ennå ikke blitt opprettet.

I dag vet vi mye mer om tyngdekraftens natur enn på Newtons tid, men til tross for århundrer med studier, er den fortsatt en reell snublestein i moderne fysikk. Det er mange hvite flekker i den eksisterende teorien om gravitasjon, og vi forstår fortsatt ikke nøyaktig hva som genererer den, og hvordan denne interaksjonen overføres. Og selvfølgelig er vi veldig langt fra å kunne kontrollere tyngdekraften, slik at antigravitasjon eller levitasjon bare vil eksistere på sidene til science fiction-romaner i lang tid fremover.

Hva falt på hodet til Newton?

Folk har tenkt på naturen til kraften som til enhver tid tiltrekker gjenstander til jorden, men det var først på 1600-tallet at Isaac Newton klarte å løfte hemmelighetens slør. Grunnlaget for hans gjennombrudd ble lagt av verkene til Kepler og Galileo, strålende forskere som studerte bevegelsene til himmellegemer.

Et og et halvt århundre før Newtons lov om universell gravitasjon, mente den polske astronomen Copernicus at tiltrekning er "... ingenting mer enn et naturlig ønske som universets far ga alle partikler, nemlig å forene seg til en felles helhet, danner sfæriske legemer." Descartes, derimot, anså tiltrekning for å være et resultat av forstyrrelser i verdenseteren. Den greske filosofen og vitenskapsmannen Aristoteles var sikker på at massen påvirker hastigheten til fallende kropper. Og bare Galileo Galilei på slutten av 1500-tallet beviste at dette ikke er sant: hvis det ikke er luftmotstand, akselererer alle objekter likt.

I motsetning til den populære legenden om hodet og eplet, begynte Newton å forstå tyngdekraftens natur i mer enn tjue år. Tyngdeloven hans er en av de viktigste vitenskapelige oppdagelsene gjennom tidene. Den er universell og lar deg beregne banene til himmellegemer og beskriver nøyaktig oppførselen til objekter rundt oss. Den klassiske gravitasjonsteorien la grunnlaget for himmelmekanikk. Newtons tre lover ga forskere muligheten til å oppdage nye planeter bokstavelig talt "på tuppen av en penn", til slutt, takket være dem, var en person i stand til å overvinne jordens tyngdekraft og fly ut i verdensrommet. De oppsummerte et strengt vitenskapelig grunnlag for det filosofiske konseptet om universets materielle enhet, der alle naturfenomener er sammenkoblet og kontrollert av vanlige fysiske regler.

Newton publiserte ikke bare en formel som lar deg beregne hva kraften som tiltrekker kropper til hverandre er, han laget en helhetlig modell, som også inkluderte matematisk analyse. Disse teoretiske konklusjonene er gjentatte ganger blitt bekreftet i praksis, inkludert ved hjelp av de mest moderne metodene.

I Newtonsk teori genererer ethvert materiell objekt et tiltrekningsfelt, som kalles gravitasjon. Dessuten er kraften proporsjonal med massen til begge legemer og omvendt proporsjonal med avstanden mellom dem:

F = (G m1 m2)/r2

G er gravitasjonskonstanten, som er lik 6,67 × 10−11 m³ / (kg s²). Henry Cavendish var den første som beregnet det i 1798.

I hverdagen og anvendte disipliner omtales kraften som jorden trekker i en kropp som dens vekt. Tiltrekningen mellom to materielle objekter i universet er hva gravitasjon er i enkle ord.

Tiltrekningskraften er den svakeste av fysikkens fire grunnleggende interaksjoner, men på grunn av dens funksjoner er den i stand til å regulere bevegelsen til stjernesystemer og galakser:

Tiltrekning fungerer på alle avstander, dette er hovedforskjellen mellom gravitasjon og sterk og svak kjernefysisk interaksjon. Med økende avstand avtar effekten, men den blir aldri lik null, så vi kan si at selv to atomer som befinner seg i forskjellige ender av galaksen utøver gjensidig påvirkning. Det er bare veldig lite;
Tyngdekraften er universell. Tiltrekningsfeltet er iboende i enhver materiell kropp. Forskere har ennå ikke oppdaget et objekt på planeten vår eller i verdensrommet som ikke ville delta i denne typen interaksjon, så tyngdekraftens rolle i universets liv er enorm. I dette skiller gravitasjon seg fra elektromagnetisk interaksjon, hvis innflytelse på kosmiske prosesser er minimal, siden de fleste kropper i naturen er elektrisk nøytrale. Gravitasjonskrefter kan ikke begrenses eller skjermes;
Tyngdekraften virker ikke bare på materie, men også på energi. For ham spiller den kjemiske sammensetningen av objekter ingen rolle, bare massen deres spiller en rolle.

Ved å bruke den newtonske formelen kan tiltrekningskraften enkelt beregnes. For eksempel er tyngdekraften på månen flere ganger mindre enn på jorden, fordi satellitten vår har en relativt liten masse. Men det er nok for dannelsen av regelmessig tidevann i verdenshavet. På jorden er akselerasjonen for fritt fall omtrent 9,81 m/s2. Dessuten er den noe større ved polene enn ved ekvator.

Til tross for den store betydningen for vitenskapens videre utvikling, hadde Newtons lover en rekke svake punkter som hjemsøkte forskere. Det var ikke klart hvordan tyngdekraften fungerer gjennom et helt tomt rom over store avstander, og med en uforståelig hastighet. I tillegg begynte det gradvis å samle seg data som var i strid med Newtons lover: for eksempel gravitasjonsparadokset eller forskyvningen av Merkurs perihelium. Det ble åpenbart at teorien om universell gravitasjon må forbedres. Denne æren tilfalt den briljante tyske fysikeren Albert Einstein.

Attraksjon og relativitet

Newtons avslag på å diskutere tyngdekraftens natur ("I make no hypotheses") var en åpenbar svakhet i konseptet hans. Ikke overraskende dukket det opp mange teorier om gravitasjon i årene som fulgte.

De fleste av dem tilhørte de såkalte hydrodynamiske modellene, som prøvde å underbygge fremveksten av tyngdekraften ved mekanisk interaksjon av materielle objekter med et eller annet mellomstoff som har visse egenskaper. Forskere kalte det annerledes: "vakuum", "eter", "flyt av gravitoner" osv. I dette tilfellet oppsto tiltrekningskraften mellom kropper som et resultat av en endring i dette stoffet, når det ble absorbert av objekter eller skjermet flyter. I virkeligheten hadde alle slike teorier en alvorlig ulempe: ganske nøyaktig forutsi gravitasjonskraftens avhengighet av avstand, burde de ha ført til nedbremsing av kropper som beveget seg i forhold til "eteren" eller "gravitonstrømmen".

Einstein nærmet seg dette problemet fra en annen vinkel. I hans generelle relativitetsteori (GR) blir tyngdekraften ikke sett på som et samspill av krefter, men som en egenskap ved selve romtiden. Enhver gjenstand som har masse får den til å bøye seg, noe som forårsaker tiltrekning. I dette tilfellet er tyngdekraften en geometrisk effekt, som anses innenfor rammen av ikke-euklidisk geometri.

Enkelt sagt, rom-tidskontinuumet påvirker materien og forårsaker dens bevegelse. Og det påvirker igjen plassen, og "indikerer" hvordan den skal bøye seg.

Tiltrekningskreftene virker også i mikrokosmos, men på nivået av elementære partikler er deres innflytelse, sammenlignet med den elektrostatiske interaksjonen, ubetydelig. Fysikere mener at gravitasjonsinteraksjonen ikke var dårligere enn resten i de første øyeblikkene (10 -43 sekunder) etter Big Bang.

For tiden er begrepet gravitasjon, foreslått i den generelle relativitetsteorien, den viktigste arbeidshypotesen akseptert av flertallet av det vitenskapelige samfunnet og bekreftet av resultatene fra en rekke eksperimenter.

Einstein forutså i sitt arbeid de fantastiske effektene av gravitasjonskrefter, hvorav de fleste allerede er bekreftet. For eksempel evnen til massive kropper til å bøye lysstråler og til og med bremse tidens gang. Det siste fenomenet blir nødvendigvis tatt i betraktning i driften av globale satellittnavigasjonssystemer, som GLONASS og GPS, ellers vil feilen deres etter noen dager være titalls kilometer.

I tillegg er en konsekvens av Einsteins teori de såkalte subtile effektene av tyngdekraften, slik som gravimagnetisk felt og drag av treghetsreferanserammer (aka Lense-Thirring-effekten). Disse manifestasjonene av tyngdekraften er så svake at de i lang tid ikke kunne oppdages. Først i 2005, takket være NASAs unike Gravity Probe B-oppdrag, ble Lense-Thirring-effekten bekreftet.

Gravitasjonsstråling eller den mest fundamentale oppdagelsen de siste årene

Gravitasjonsbølger er fluktuasjoner i den geometriske rom-tidsstrukturen som forplanter seg med lysets hastighet. Eksistensen av dette fenomenet ble også forutsagt av Einstein i generell relativitetsteori, men på grunn av svakheten til gravitasjonskraften er størrelsen veldig liten, så den kunne ikke oppdages på lenge. Bare indirekte bevis talte for eksistensen av stråling.

Slike bølger genererer materielle gjenstander som beveger seg med asymmetrisk akselerasjon. Forskere beskriver dem som "bølger av rom-tid." De kraftigste kildene til slik stråling er kolliderende galakser og kollapsende systemer som består av to objekter. Et typisk eksempel på sistnevnte tilfelle er sammenslåingen av sorte hull eller nøytronstjerner. I slike prosesser kan gravitasjonsstråling passere mer enn 50 % av systemets totale masse.

Gravitasjonsbølger ble først oppdaget i 2015 av to LIGO-observatorier. Nesten umiddelbart fikk denne hendelsen status som den største oppdagelsen innen fysikk de siste tiårene. I 2017 ble han tildelt Nobelprisen. Etter det klarte forskerne å oppdage gravitasjonsstråling flere ganger.

Tilbake på 70-tallet av forrige århundre - lenge før eksperimentell bekreftelse - foreslo forskere å bruke gravitasjonsstråling for langdistansekommunikasjon. Dens utvilsomme fordel er dens høye evne til å passere gjennom ethvert stoff uten å bli absorbert. Men for tiden er dette neppe mulig, fordi det er store vanskeligheter med å generere og motta disse bølgene. Ja, og vi har fortsatt ikke nok reell kunnskap om tyngdekraftens natur.

I dag opererer flere installasjoner som ligner på LIGO i forskjellige land i verden, og nye bygges. Det er sannsynlig at vi vil lære mer om gravitasjonsstråling i nær fremtid.

Alternative teorier om universell gravitasjon og årsakene til deres opprettelse

For tiden er det dominerende gravitasjonsbegrepet generell relativitet. Hele det eksisterende utvalget av eksperimentelle data og observasjoner er i samsvar med det. Samtidig har den et stort antall ærlig talt svake punkter og kontroversielle punkter, så forsøk på å lage nye modeller som forklarer tyngdekraftens natur stopper ikke.

Alle teorier om universell gravitasjon utviklet så langt kan deles inn i flere hovedgrupper:

standard;
alternativ;
kvante;
enhetlig feltteori.

Forsøk på å lage et nytt konsept for universell gravitasjon ble gjort så tidlig som på 1800-tallet. Ulike forfattere inkluderte i den eteren eller den korpuskulære teorien om lys. Men fremveksten av generell relativitet satte en stopper for disse undersøkelsene. Etter publiseringen endret målet for forskere seg - nå var deres innsats rettet mot å forbedre Einstein-modellen, inkludert nye naturfenomener i den: spinn av partikler, utvidelse av universet, etc.

På begynnelsen av 1980-tallet hadde fysikere eksperimentelt avvist alle konsepter, bortsett fra de som inkluderte generell relativitetsteori som en integrert del. På dette tidspunktet kom "strengteorier" på moten, og så veldig lovende ut. Men eksperimentell bekreftelse av disse hypotesene er ikke funnet. I løpet av de siste tiårene har vitenskapen nådd betydelige høyder og har samlet et stort utvalg empiriske data. I dag er forsøk på å lage alternative teorier om tyngdekraft inspirert hovedsakelig av kosmologiske studier knyttet til slike begreper som "mørk materie", "inflasjon", "mørk energi".

En av hovedoppgavene til moderne fysikk er foreningen av to grunnleggende retninger: kvanteteori og generell relativitet. Forskere søker å koble tiltrekning med andre typer interaksjoner, og dermed skape en "teori om alt." Dette er nøyaktig hva kvantetyngdekraften gjør, grenen av fysikk som forsøker å gi en kvantebeskrivelse av gravitasjonsinteraksjonen. En utløper av denne retningen er teorien om sløyfetyngdekraften.

Til tross for aktiv og langsiktig innsats er dette målet ennå ikke nådd. Og det er ikke engang kompleksiteten til dette problemet: det er bare at kvanteteori og generell relativitet er basert på helt andre paradigmer. Kvantemekanikk omhandler fysiske systemer som opererer på bakgrunn av vanlig rom-tid. Og i relativitetsteorien er rom-tid i seg selv en dynamisk komponent som avhenger av parameterne til de klassiske systemene som er i den.

Sammen med de vitenskapelige hypotesene om universell gravitasjon er det teorier som er veldig langt unna moderne fysikk. Dessverre har slike "opuser" rett og slett oversvømmet internett og hyllene til bokhandlere de siste årene. Noen forfattere av slike verk informerer vanligvis leseren om at tyngdekraften ikke eksisterer, og lovene til Newton og Einstein er oppfinnelser og svindel.

Et eksempel er arbeidet til «vitenskapsmannen» Nikolai Levashov, som hevder at Newton ikke oppdaget loven om universell gravitasjon, og bare planetene og vår satellitt Månen har gravitasjonskraft i solsystemet. Bevisene gitt av denne "russiske vitenskapsmannen" er ganske merkelige. En av dem er flukten til den amerikanske sonden NEAR Shoemaker til asteroiden Eros, som fant sted i 2000. Levashov anser mangelen på tiltrekning mellom sonden og himmellegemet for å være bevis på falskheten i Newtons verk og konspirasjonen til fysikere som skjuler sannheten om tyngdekraften for mennesker.

Faktisk fullførte romfartøyet sitt oppdrag: først gikk det inn i asteroidens bane, og gjorde deretter en myk landing på overflaten.

Kunstig gravitasjon og hva den er til for

Det er to begreper knyttet til gravitasjon som, til tross for deres nåværende teoretiske status, er godt kjent for allmennheten. Disse er antigravitasjon og kunstig gravitasjon.

Antigravitasjon er prosessen med å motvirke tiltrekningskraften, som kan redusere den betraktelig eller til og med erstatte den med frastøtelse. Mestring av slik teknologi vil føre til en reell revolusjon innen transport, luftfart, romutforskning og radikalt forandre hele livet vårt. Men for øyeblikket har muligheten for antigravitasjon ikke engang teoretisk bekreftelse. Videre, basert på generell relativitet, er et slikt fenomen ikke mulig i det hele tatt, siden det ikke kan være noen negativ masse i universet vårt. Det er mulig at vi i fremtiden vil lære mer om gravitasjon og lære å bygge fly basert på dette prinsippet.

Kunstig tyngdekraft er en menneskeskapt endring i den eksisterende tyngdekraften. I dag trenger vi egentlig ikke slik teknologi, men situasjonen vil definitivt endre seg etter starten på langsiktige romfart. Og det har med fysiologien vår å gjøre. Menneskekroppen, "vant" til jordens konstante tyngdekraft gjennom millioner av år med evolusjon, oppfatter virkningen av redusert tyngdekraft ekstremt negativt. Et langt opphold selv i forhold til månens tyngdekraft (seks ganger svakere enn jorden) kan føre til triste konsekvenser. Illusjonen om tiltrekning kan skapes ved hjelp av andre fysiske krefter, for eksempel treghet. Imidlertid er disse alternativene komplekse og dyre. For øyeblikket har ikke kunstig tyngdekraft engang teoretiske begrunnelser, det er åpenbart at den mulige praktiske implementeringen er et spørsmål om en veldig fjern fremtid.

Tyngdekraft er et konsept kjent for alle siden skolen. Det ser ut til at forskere burde ha undersøkt dette fenomenet grundig! Men tyngdekraften er fortsatt det dypeste mysteriet for moderne vitenskap. Og dette kan kalles et utmerket eksempel på hvor begrenset menneskelig kunnskap om vår enorme og fantastiske verden er.

Hvis du har spørsmål - legg dem igjen i kommentarene under artikkelen. Vi eller våre besøkende vil gjerne svare dem.

Vi bor på jorden, vi beveger oss langs overflaten, som langs kanten av en steinete klippe som reiser seg over en bunnløs avgrunn. Vi holdes på denne kanten av avgrunnen bare av det som påvirker oss. jordens tyngdekraft; vi faller ikke fra jordoverflaten bare fordi vi har, som de sier, en viss vekt. Vi ville umiddelbart fly fra denne "klippen" og raskt fly inn i verdensrommet hvis tyngdekraften til planeten vår plutselig sluttet å virke. Vi ville uendelig ruse rundt i verdensrommets avgrunn, uten å vite verken opp eller ned.

Jordens bevegelse

Hans bevegelse på jorden også vi skylder tyngdekraften. Vi går på jorden og overvinner hele tiden motstanden til denne kraften, føler dens handling, som en tung belastning på føttene våre. Denne "lasten" gjør seg spesielt gjeldende når du bestiger et fjell, når du må dra den, som en slags tunge vekter som henger fra føttene dine. Det påvirker ikke mindre kraftig når vi går ned fjellet, og tvinger oss til å øke hastigheten. Overvinne tyngdekraften når du beveger deg på jorden. Disse retningene - "opp" og "ned" - er kun indikert for oss av tyngdekraften. På alle punkter på jordens overflate er den rettet nesten mot jordens sentrum. Derfor vil begrepene «bunn» og «topp» være diametralt motsatte for de såkalte antipodene, det vil si mennesker som lever på diametralt motsatte deler av jordoverflaten. For eksempel viser retningen som for de som bor i Moskva "ned", for innbyggerne i Tierra del Fuego "opp". Retninger som viser "ned" for folk ved polen og ved ekvator, gir en rett vinkel; de står vinkelrett på hverandre. Utenfor jorden, når man beveger seg bort fra den, avtar tyngdekraften, siden tiltrekningskraften avtar (jordens tiltrekningskraft, som til enhver annen verdenskropp, strekker seg uendelig langt i verdensrommet) og sentrifugalkraften øker , som reduserer tyngdekraften. Derfor, jo høyere vi løfter noen last, for eksempel i en ballong, jo mindre vil denne lasten veie.

Jordens sentrifugalkraft

På grunn av daglig rotasjon, jordens sentrifugalkraft. Denne kraften virker overalt på jordoverflaten i en retning vinkelrett på jordaksen og bort fra den. Sentrifugalkraft liten i forhold til gravitasjon. Ved ekvator når den sin største verdi. Men selv her er sentrifugalkraften ifølge Newtons beregninger bare 1/289 av tiltrekningskraften. Jo lenger nord fra ekvator, jo mindre sentrifugalkraft. Helt på polen er det null.

Virkningen av jordens sentrifugalkraft. I en eller annen høyde sentrifugalkraft vil øke så mye at den vil være lik tiltrekningskraften, og tyngdekraften vil først bli lik null, og deretter, med økende avstand fra jorden, vil den ta en negativ verdi og vil kontinuerlig øke, bli rettet i motsatt retning i forhold til jorden.

Tyngdekraften

Den resulterende kraften til jordens tiltrekning og sentrifugalkraften kalles gravitasjon. Tyngdekraften på alle punkter på jordoverflaten ville vært den samme hvis vår perfekt nøyaktige og regelmessige ball, hvis massen hadde samme tetthet overalt, og til slutt, hvis det ikke var noen daglig rotasjon rundt aksen. Men siden vår jord ikke er en vanlig ball, består ikke i alle deler av bergarter med samme tetthet og roterer hele tiden, så derfor, tyngdekraften på hvert punkt på jordoverflaten er litt forskjellig. Derfor på hvert punkt på jordens overflate tyngdekraftens størrelse avhenger av størrelsen på sentrifugalkraften, som reduserer tiltrekningskraften, av tettheten til jordbergarter og avstanden fra jordens sentrum. Jo større denne avstanden er, jo mindre gravitasjon. Jordas radier, som i den ene enden så å si hviler mot jordens ekvator, er de største. Radiene som har punktet til Nord- eller Sydpolen som ende er de minste. Derfor har alle legemer ved ekvator mindre gravitasjon (mindre vekt) enn ved polen. Det er kjent at tyngdekraften er 1/289 større ved polen enn ved ekvator. Denne forskjellen i tyngdekraften til de samme kroppene ved ekvator og ved polen kan finnes ved å veie dem med en fjærvekt. Hvis vi veier kropper på vekter med vekter, vil vi ikke merke denne forskjellen. Balansen vil vise samme vekt både ved polet og ved ekvator; vektene, som kroppene som blir veid, vil også selvfølgelig endre seg i vekt.

Fjærskalaer som en måte å måle tyngdekraften ved ekvator og ved polen. La oss anta at et skip med last veier i polarområdene, nær polen, omtrent 289 tusen tonn. Ved ankomst til havner nær ekvator vil et skip med last bare veie rundt 288.000 tonn. Dermed mistet skipet ved ekvator rundt tusen tonn i vekt. Alle legemer holdes på jordoverflaten bare på grunn av at tyngdekraften virker på dem. Om morgenen, når du står opp av sengen, kan du senke føttene til gulvet bare fordi denne kraften trekker dem ned.

Tyngdekraften inne i jorden

La oss se hvordan det endrer seg tyngdekraften inne i jorden. Når vi går dypere inn i jorden, øker tyngdekraften kontinuerlig opp til en viss dybde. På en dybde på rundt tusen kilometer vil tyngdekraften ha en maksimal (størst) verdi og vil øke sammenlignet med dens gjennomsnittsverdi på jordoverflaten (9,81 m/s) med omtrent fem prosent. Med ytterligere utdyping vil tyngdekraften kontinuerlig avta og i midten av jorden være lik null.

Forutsetninger om jordens rotasjon

Våre jorden roterer gjør en fullstendig omdreining på sin akse på 24 timer. Sentrifugalkraften er kjent for å øke proporsjonalt med kvadratet på vinkelhastigheten. Derfor, hvis jorden akselererer sin rotasjon rundt sin akse 17 ganger, vil sentrifugalkraften øke 17 ganger i kvadrat, dvs. 289 ganger. Under normale forhold, som nevnt ovenfor, er sentrifugalkraften ved ekvator 1/289 av tyngdekraften. Med en økning 17 ganger tiltrekningskraften og sentrifugalkraften gjøres like. Tyngdekraften - resultanten av disse to kreftene - med en slik økning i hastigheten på jordens aksiale rotasjon vil være lik null.

Verdien av sentrifugalkraften under jordens rotasjon. Denne rotasjonshastigheten til jorden rundt sin akse kalles kritisk, siden ved en slik rotasjonshastighet på planeten vår ville alle kropper ved ekvator miste vekt. Dagens varighet i dette kritiske tilfellet vil være omtrent 1 time og 25 minutter. Med ytterligere akselerasjon av jordens rotasjon vil alle legemer (først og fremst ved ekvator) først miste vekt, og deretter bli kastet ut i verdensrommet av sentrifugalkraften, og selve jorden vil bli revet fra hverandre av samme kraft. Vår konklusjon ville vært riktig hvis jorden var et absolutt stivt legeme og, når den akselererte sin rotasjonsbevegelse, ikke ville endre form, med andre ord hvis radiusen til jordens ekvator beholdt sin verdi. Men det er kjent at med akselerasjonen av jordens rotasjon, vil overflaten måtte gjennomgå en viss deformasjon: den vil begynne å krympe i retning av polene og utvide seg i retning av ekvator; det vil få et mer og mer flatt utseende. Lengden på radiusen til jordens ekvator vil da begynne å øke og dermed øke sentrifugalkraften. Dermed vil kroppene ved ekvator miste vekt før jordens rotasjonshastighet øker med 17 ganger, og katastrofen med jorden vil komme før dagen vil redusere varigheten til 1 time og 25 minutter. Med andre ord vil den kritiske hastigheten på jordens rotasjon være noe mindre, og den maksimale lengden på døgnet vil være noe lengre. Tenk deg mentalt at hastigheten på jordens rotasjon, på grunn av noen ukjente årsaker, vil nærme seg den kritiske. Hva blir det av jordens innbyggere da? Først av alt, overalt på jorden vil en dag for eksempel være omtrent to eller tre timer. Dag og natt vil endre seg kaleidoskopisk raskt. Solen, som i et planetarium, vil bevege seg veldig raskt over himmelen, og så snart du våkner og vasker deg, vil den allerede forsvinne bak horisonten, og natten vil komme for å erstatte den. Folk vil ikke lenger navigere nøyaktig i tid. Ingen vil vite hvilken dag i måneden det er og hvilken ukedag det er. Normalt menneskeliv vil være uorganisert. Pendelklokker vil bremse ned og deretter stoppe overalt. De går fordi tyngdekraften virker på dem. Faktisk, i hverdagen vår, når "vandrerne" begynner å henge etter eller skynde seg, er det nødvendig å forkorte eller forlenge pendelen, eller til og med henge litt ekstra vekt på pendelen. Kroppene ved ekvator vil gå ned i vekt. Under disse imaginære forholdene vil det være lett å løfte veldig tunge kropper. Det vil ikke være vanskelig å skuldre en hest, en elefant, eller til og med løfte et helt hus. Fuglene vil miste evnen til å lande. Her er en flokk spurvefugler som sirkler over et trau med vann. De kvitrer høyt, men klarer ikke å gå ned. En håndfull korn kastet av ham ville henge over jorden i separate korn. La videre rotasjonshastigheten til jorden mer og mer nærme seg den kritiske. Planeten vår er sterkt deformert og får et stadig flatere utseende. Den sammenlignes med en raskt roterende karusell og truer med å kaste av seg innbyggerne. Elvene vil da slutte å renne. De vil være lange stillestående sumper. Store havskip vil knapt berøre vannoverflaten med bunnen, ubåter vil ikke kunne dykke ned i havets dyp, fisk og marine dyr vil svømme på overflaten av hav og hav, de vil ikke lenger være i stand til å gjemme seg i havets dyp. Sjømenn vil ikke lenger kunne ankre, de vil ikke lenger eie rorene til skipene sine, store og små skip vil stå urørlige. Her er et annet tenkt bilde. Passasjerjernbanetog står på stasjonen. Det er allerede blåst i fløyta; toget må gå. Sjåføren tok alle nødvendige tiltak. Stokeren kaster sjenerøst kull inn i ovnen. Store gnister flyr fra skorsteinen på et damplokomotiv. Hjulene går desperat rundt. Men lokomotivet står stille. Hjulene berører ikke skinnene og det er ingen friksjon mellom dem. Øyeblikket vil komme da folk ikke vil være i stand til å gå ned på gulvet; de vil holde seg som fluer til taket. La jordens rotasjonshastighet fortsette å øke. Sentrifugalkraften er mer og mer overlegen i sin størrelse til tiltrekningskraften ... Da vil mennesker, dyr, husholdningsartikler, hus, alle gjenstander på jorden, hele dyreverdenen bli kastet ut i verdensrommet. Det australske kontinentet vil skille seg fra jorden og henge i verdensrommet som en kolossal svart sky. Afrika vil fly inn i dypet av den stille avgrunnen, bort fra jorden. Vannet i Det indiske hav vil bli til et stort antall sfæriske dråper og vil også fly til grenseløse avstander. Middelhavet, før det har rukket å bli til gigantiske ansamlinger av dråper, vil skille seg fra bunnen med hele sin vanntykkelse, som det vil være mulig å fritt passere fra Napoli til Alger. Til slutt vil rotasjonshastigheten øke så mye, sentrifugalkraften vil øke så mye at hele jorden vil bli revet i stykker. Dette kan imidlertid heller ikke skje. Hastigheten på jordens rotasjon, som vi sa ovenfor, øker ikke, men tvert imot, den reduseres til og med litt - den er imidlertid så liten at, som vi allerede vet, om 50 tusen år øker varigheten av dagen med bare ett sekund. Med andre ord roterer jorden nå med en slik hastighet som er nødvendig for at floraen og faunaen på planeten vår skal blomstre under de varme, livgivende solstrålene i mange årtusener.

Friksjonsverdi

La oss se hva nå friksjon betyr noe og hva ville skje hvis det ikke var der. Friksjon er kjent for å ha en skadelig effekt på klærne våre: kåper sliter ut ermene først, og støvler sålene, siden ermene og sålene er mest utsatt for friksjon. Men forestill deg et øyeblikk at overflaten på planeten vår så å si var godt polert, perfekt glatt, og muligheten for friksjon ville være utelukket. Kan vi gå på en slik overflate? Selvfølgelig ikke. Alle vet at selv på is og på et gnidd gulv er det veldig vanskelig å gå, og du må være forsiktig så du ikke faller. Men overflaten av isen og det gnidde gulvet har fortsatt noe friksjon.

Friksjonskraft på is. Hvis friksjonskraften forsvant på jordens overflate, ville et ubeskrivelig kaos for alltid herske på planeten vår. Hvis det ikke er friksjon, vil havet rase for alltid og stormen vil aldri avta. Sandtornadoer vil ikke slutte å henge over jorden, og vinden vil hele tiden blåse. De melodiske lydene fra piano, fiolin og det forferdelige brølet fra rovdyr vil blande seg og spre seg i det uendelige i luften. I fravær av friksjon ville en kropp i bevegelse aldri stoppe. På en absolutt jevn jordoverflate vil ulike kropper og gjenstander for alltid bli blandet i en rekke forskjellige retninger. Latterlig og tragisk ville være jordens verden, hvis det ikke var noen friksjon og tiltrekning av jorden.

Obi-Wan Kenobi sa at styrke holder galaksen sammen. Det samme kan sies om tyngdekraften. Faktum er at tyngdekraften tillater oss å gå på jorden, jorden til å dreie rundt solen og solen til å dreie rundt det supermassive sorte hullet i sentrum av galaksen vår. Hvordan forstå tyngdekraften? Om dette - i vår artikkel.

La oss si med en gang at du ikke her finner et entydig riktig svar på spørsmålet "Hva er tyngdekraften." For det finnes bare ikke! Tyngdekraften er et av de mest mystiske fenomenene som forskere lurer på, og som fortsatt ikke kan forklare dens natur fullt ut.

Det er mange hypoteser og meninger. Det er mer enn et dusin teorier om gravitasjon, alternativ og klassisk. Vi vil vurdere det mest interessante, relevante og moderne.

Ønsker du mer nyttig informasjon og ferske nyheter hver dag? Bli med oss på telegram.

Tyngdekraften er en fysisk fundamental interaksjon

Det er 4 grunnleggende interaksjoner i fysikk. Takket være dem er verden akkurat slik den er. Tyngdekraften er en av disse kreftene.

Grunnleggende interaksjoner:

gravitasjon;
elektromagnetisme;
sterk interaksjon;
svak interaksjon.

Tyngdekraften er den svakeste av de fire grunnleggende kreftene.

For øyeblikket er den gjeldende teorien som beskriver tyngdekraften GR (generell relativitet). Det ble foreslått av Albert Einstein i 1915-1916.

Vi vet imidlertid at det er for tidlig å snakke om den ultimate sannheten. Tross alt, flere århundrer før fremkomsten av generell relativitet i fysikk, dominerte newtonsk teori, som ble betydelig utvidet, for å beskrive tyngdekraften.

For øyeblikket er det umulig å forklare og beskrive alle problemstillinger knyttet til gravitasjon innenfor rammen av generell relativitet.

Før Newton var det en utbredt oppfatning at gravitasjon på jorden og himmelsk gravitasjon var forskjellige ting. Det ble antatt at planetene beveger seg i henhold til sine egne, forskjellig fra jordiske, ideelle lover.

Newton oppdaget loven om universell gravitasjon i 1667. Selvfølgelig eksisterte denne loven selv under dinosaurene og mye tidligere.

Gamle filosofer tenkte på eksistensen av tyngdekraften. Galileo beregnet eksperimentelt akselerasjonen av fritt fall på jorden, og oppdaget at det er det samme for kropper uansett masse. Kepler studerte bevegelseslovene til himmellegemer.

Newton var i stand til å formulere og generalisere resultatene av observasjoner. Her er hva han fikk:

To kropper tiltrekkes av hverandre med en kraft som kalles gravitasjonskraft eller gravitasjonskraft.

Formelen for tiltrekningskraften mellom kropper er:

G er gravitasjonskonstanten, m er massen til kroppene, r er avstanden mellom massesentrene til kroppene.

Hva er den fysiske betydningen av gravitasjonskonstanten? Det er lik kraften som kropper med en masse på 1 kilogram hver virker på hverandre, i en avstand på 1 meter fra hverandre.

I følge Newtons teori skaper hvert objekt et gravitasjonsfelt. Nøyaktigheten av Newtons lov er testet ved avstander på mindre enn én centimeter. Selvfølgelig, for små masser er disse kreftene ubetydelige og kan neglisjeres.

Newtons formel er anvendelig både for å beregne tiltrekningskraften til planeter til solen, og for små objekter. Vi legger rett og slett ikke merke til kraften som for eksempel ballene på biljardbordet tiltrekkes med. Likevel eksisterer denne kraften og kan beregnes.

Tiltrekningskraften virker mellom alle kropper i universet. Effekten strekker seg til alle avstander.

Newtons lov om universell gravitasjon forklarer ikke naturen til tiltrekningskraften, men etablerer kvantitative mønstre. Newtons teori motsier ikke generell relativitet. Det er ganske tilstrekkelig for å løse praktiske problemer på jordens skala og for å beregne bevegelsen til himmellegemer.

Tyngdekraften i generell relativitet

Til tross for at Newtons teori er ganske anvendelig i praksis, har den en rekke mangler. Loven om universell gravitasjon er en matematisk beskrivelse, men gir ikke en ide om tingenes grunnleggende fysiske natur.

Ifølge Newton virker tiltrekningskraften uansett avstand. Og det fungerer umiddelbart. Tatt i betraktning at den raskeste hastigheten i verden er lysets hastighet, er det et avvik. Hvordan kan tyngdekraften virke øyeblikkelig uansett avstand, når lyset ikke trenger et øyeblikk, men flere sekunder eller til og med år for å overvinne dem?

Innenfor rammen av generell relativitet betraktes tyngdekraften ikke som en kraft som virker på kropper, men som en krumning av rom og tid under påvirkning av masse. Tyngdekraften er altså ikke en kraftinteraksjon.

Hva er effekten av tyngdekraften? La oss prøve å beskrive det ved å bruke en analogi.

Se for deg rommet som et elastisk ark. Hvis du legger en lett tennisball på den, vil overflaten forbli flat. Men legger du en tung vekt ved siden av ballen, vil den dytte et hull i overflaten, og ballen vil begynne å rulle mot den store og tunge vekten. Dette er "tyngdekraften".

Forresten! For våre lesere er det nå 10% rabatt på noen form for arbeid

Oppdagelse av gravitasjonsbølger

Gravitasjonsbølger ble spådd av Albert Einstein tilbake i 1916, men de ble først oppdaget hundre år senere, i 2015.

Hva er gravitasjonsbølger? La oss tegne en analogi igjen. Hvis du kaster en stein i rolig vann, vil sirkler gå på overflaten av vannet fra stedet det falt. Gravitasjonsbølger er de samme krusninger, forstyrrelser. Bare ikke på vannet, men i verdens rom-tid.

I stedet for vann - rom-tid, og i stedet for stein, for eksempel, et svart hull. Enhver akselerert massebevegelse genererer en gravitasjonsbølge. Hvis kroppene er i en tilstand av fritt fall, vil avstanden mellom dem endres når en gravitasjonsbølge passerer.

Siden tyngdekraften er en svært svak kraft, har deteksjon av gravitasjonsbølger vært forbundet med store tekniske vanskeligheter. Moderne teknologier har gjort det mulig å oppdage et utbrudd av gravitasjonsbølger kun fra supermassive kilder.

En passende hendelse for å registrere en gravitasjonsbølge er sammenslåingen av sorte hull. Dessverre eller heldigvis skjer dette ganske sjelden. Likevel klarte forskere å registrere en bølge som bokstavelig talt rullet gjennom universets rom.

For å registrere gravitasjonsbølger ble det bygget en detektor med en diameter på 4 kilometer. Under passasjen av bølgen ble svingninger av speil på suspensjoner i vakuum og interferens av lys reflektert fra dem registrert.

Gravitasjonsbølger bekreftet gyldigheten av generell relativitet.

Tyngdekraft og elementærpartikler

I standardmodellen er visse elementærpartikler ansvarlige for hver interaksjon. Vi kan si at partikler er bærere av interaksjoner.

Graviton er ansvarlig for tyngdekraften - en hypotetisk masseløs partikkel med energi. Les forresten mer om Higgs-bosonet og andre elementærpartikler som laget mye støy i vårt separate materiale.

Til slutt, her er noen interessante fakta om tyngdekraften.

10 fakta om tyngdekraften

For å overvinne jordens tyngdekraft, må kroppen ha en hastighet lik 7,91 km/s. Dette er den første kosmiske hastigheten. Det er nok for et legeme (for eksempel en romsonde) å bevege seg i bane rundt planeten.
For å unnslippe jordens gravitasjonsfelt må et romfartøy ha en hastighet på minst 11,2 km/s. Dette er den andre romhastigheten.
Objekter med den sterkeste gravitasjonen er sorte hull. Tyngdekraften deres er så sterk at de til og med tiltrekker seg lys (fotoner).
Du vil ikke finne tyngdekraften i noen ligning av kvantemekanikk. Faktum er at når du prøver å inkludere gravitasjon i ligningene, mister de sin relevans. Dette er et av de viktigste problemene i moderne fysikk.
Ordet gravitasjon kommer fra det latinske "gravis", som betyr "tung".
Jo mer massiv gjenstanden er, desto sterkere er tyngdekraften. Hvis en person som veier 60 kilo på jorden veier på Jupiter, vil vekten vise 142 kilo.
NASA-forskere prøver å utvikle en gravitasjonsstråle som gjør at objekter kan flyttes kontaktløst og overvinne tyngdekraften.
Astronauter i bane opplever også tyngdekraften. Mer spesifikt, mikrogravitasjon. De ser ut til å falle uendelig sammen med skipet de er i.
Tyngdekraften tiltrekker seg alltid og frastøter aldri.
Et svart hull på størrelse med en tennisball trekker gjenstander med samme kraft som planeten vår.

Nå vet du definisjonen av gravitasjon, og du kan si hvilken formel som brukes for å beregne tiltrekningskraften. Hvis vitenskapens granitt holder deg hardere nede enn tyngdekraften, ta kontakt med vår studenttjeneste. Vi hjelper deg å lære enkelt under de tyngste arbeidsbelastningene!