На питання «Що таке сила?» Фізика відповідає так: «Сила є міра взаємодії речових тіл між собою або між тілами і іншими матеріальними об`єктами - фізичними полями». Всі сили в природі можуть бути віднесені до чотирьох фундаментальних видів взаємодій: сильному, слабкому, електромагнітному і гравітаційному. Наша стаття розповідає про те, що являють собою гравітаційні сили - міра останнього і, мабуть, найбільш широко поширеного в природі види цих взаємодій.
Почнемо з тяжіння землі
Усім, що відомо, що існує сила, яка притягує об`єкти до землі. Вона зазвичай іменується гравітацією, силою тяжіння або земним тяжінням. Завдяки її наявності у людини виникли поняття «верх» і «низ», що визначають напрямок руху або розташування чого-небудь відносно земної поверхні. Так в окремому випадку, на поверхні землі або поблизу неї, виявляють себе гравітаційні сили, які притягують об`єкти, що мають масу, один до одного, виявляючи свою дію на будь-яких як найменших, так і дуже великих, навіть за космічними мірками, відстанях.
Сила тяжіння і третій закон Ньютона
Як відомо, будь-яка сила, якщо вона розглядається як міра взаємодії фізичних тіл, завжди прикладена до якого-небудь з них. Так і в гравітаційній взаємодії тіл один з одним, кожне з них відчуває такі види гравітаційних сил, які викликані впливом кожного з них. Якщо тел всього два (передбачається, що дією всіх інших можна знехтувати), то кожна з них по третьому закону Ньютона буде притягувати інше тіло з однаковою силою. Так Місяць і Земля притягують один одного, наслідком чого є припливи і відливи земних морів.
Кожна планета в Сонячній системі відчуває відразу кілька сил тяжіння з боку Сонця і інших планет. Звичайно, визначає форму і розміри її орбіти саме сила тяжіння Сонця, а й вплив інших небесних тіл астрономи враховують у своїх розрахунках траєкторій їх руху.
Що швидше впаде на землю з висоти?
Головною особливістю цієї сили є те, що всі об`єкти падають на землю з однією швидкістю, незалежно від їх маси. Колись, аж до 16-го ст., Вважалося, що все навпаки - більш важкі тіла повинні падати швидше, ніж легкі. Щоб розвіяти цю оману Галілео Галілею довелося виконати свій знаменитий досвід щодо одночасного скидання двох гарматних ядер різної ваги з похилою Пізанської вежі. Всупереч очікуванням свідків експерименту обидва ядра досягли поверхні одночасно. Сьогодні кожен школяр знає, що це сталося завдяки тому, що сила тяжіння повідомляє будь-якому тілу одне і те ж прискорення вільного падіння g = 9,81 м / с2 незалежно від маси m цього тіла, а величина її за другим законом Ньютона дорівнює F = mg.
Гравітаційні сили на Місяці і на інших планетах мають різні значення цього прискорення. Однак характер дії сили тяжіння на них такий же.
Сила тяжіння і вага тіла
Якщо перша сила прикладена безпосередньо до самого тіла, то друга до його опорі або підвісу. У цій ситуації на тіла з боку опор і підвісів завжди діють сили пружності. Гравітаційні сили, прикладені до тих же тіл, діють їм назустріч.
Уявіть собі вантаж, підвішений над землею на пружині. До нього включені дві сили: сила пружності розтягнутої пружини і сила тяжіння. Згідно з третім законом Ньютона вантаж діє на пружину з силою, рівною і протилежної силі пружності. Ця сила і буде його вагою. У вантажу масою 1 кг вага дорівнює Р = 1 кг 9,81 м / с2 = 9,81 Н (ньютон).
Гравітаційні сили: визначення
Перша кількісна теорія гравітації, заснована на спостереженнях руху планет, була сформульована Ісааком Ньютоном в 1687 році в його знаменитих "Засадах натуральної філософії". Він писав, що сили тяжіння, які діють на Сонце і планети, залежать від кількості речовини, яке вони містять. Оніраспространяются на великі відстані і завжди зменшуються як величини, зворотні квадрату відстані. Як же можна обчислити ці гравітаційні сили? Формула для сили F між двома об`єктами з масами m1 і m2, знаходяться на відстані r, така:
- F = Gm1m2/ r2,
де G - константа пропорційності, гравітаційна постійна.
Фізичний механізм гравітації
Ньютон був в повному обсязі задоволено своєю теорією, оскільки вона передбачала взаємодію між притягає тілами на відстані. Сам великий англієць був впевнений, що повинен існувати якийсь фізичний агент, відповідальний за передачу дії одного тіла на інше, про що він цілком ясно висловився в одному зі своїх листів. Але час, коли було введено поняття гравітаційного поля, яке пронизує весь простір, настав лише через чотири століття. Сьогодні, говорячи про гравітації, ми можемо говорити про взаємодію будь-якого (космічного) тіла з гравітаційним полем інших тіл, мірою якого і служать виникають між кожною парою тел гравітаційні сили. Закон всесвітнього тяготіння, сформульований Ньютоном в вищенаведеної формі, залишається вірним і підтверджується безліччю фактів.
Теорія гравітації і астрономія
Вона була дуже успішно застосована до вирішення завдань небесної механіки під час XVIII і початку XIX століття. Наприклад, математики Д. Адамс і У. Левер`є, аналізуючи порушення орбіти Урана, припустили, що на нього діють гравітаційні сили взаємодії з ще невідомої планетою. Ними було зазначено її передбачуване положення, і незабаром астрономом І. Галле там був виявлений Нептун.
Хоча залишалася одна проблема. Леверье в 1845 році розрахував, що орбіта Меркурія прецессирует на 35 `` за сторіччя, на відміну від нульового значення цієї прецесії, одержуваного з теорії Ньютона. Наступні виміри дали більш точне значення 43 ``. (Що Спостерігається прецесія дорівнює дійсно 570 `` / вік, але кропітка розрахунок, що дозволяє вирахувати вплив від всіх інших планет, дає значення 43 ``.)
Тільки в 1915 р Альберт Ейнштейн зміг пояснити це невідповідність в рамках створеної ним теорії гравітації. Виявилося, що масивне Сонце, як і будь-яке інше масивне тіло, викривляє простір-час у своїй околиці. Ці ефекти викликають відхилення в орбітах планет, але у Меркурія, як найменшій і найближчій до нашій зірці планеті, вони проявляються найсильніше.
Інерційна і гравітаційна маси
Як вже зазначалося вище, Галілей був першим, хто спостерігав, що об`єкти падають на землю з однаковою швидкістю, незалежно від їх маси. У формулах Ньютона поняття маси відбувається від двох різних рівнянь. Другий його закон говорить, що сила F, прикладена до тіла з масою m, дає прискорення за рівнянням F = ma.
Однак сила тяжіння F, прикладена до тіла, задовольняє формулою F = mg, де g залежить від іншого тіла, що взаємодіє з даним (землі зазвичай, коли ми говоримо про силу тяжіння). В обох рівнянь m є коефіцієнт пропорційності, але в першому випадку це інерційна маса, а в другому - гравітаційна, і немає ніякої очевидної причини, що вони повинні бути однаковими для будь-якого фізичного об`єкта.
Однак все експерименти показують, що це дійсно так.
Теорія гравітації Ейнштейна
Він взяв факт рівності інерційної і гравітаційної мас як відправну точку для своєї теорії. Йому вдалося побудувати рівняння гравітаційного поля, знамениті рівняння Ейнштейна, і з їх допомогою обчислити правильне значення для прецесії орбіти Меркурія. Вони також дають виміряне значення відхилення світлових променів, які проходять поблизу Сонця, і немає ніяких сумнівів в тому, що з них випливають правильні результати для макроскопічної гравітації. Теорія гравітації Ейнштейна, або загальна теорія відносності (ЗТВ), як він сам її назвав, є одним з найбільших тріумфів сучасної науки.
Гравітаційні сили - це прискорення?
Якщо ви не можете відрізнити інерційну масу від гравітаційної, то ви не можете відрізнити і гравітацію від прискорення. Експеримент в гравітаційному полі замість цього може бути виконаний в прискорено рухається ліфті у відсутності гравітації. Коли космонавт в ракеті прискорюється, віддаляючись від землі, він відчуває силу тяжкості, яка в кілька разів більша за земну, причому переважна її частина приходить від прискорення.
Якщо ніхто не може відрізнити гравітацію від прискорення, то першу завжди можна відтворити шляхом прискорення. Система, в якій прискорення замінює силу тяжіння, називається інерціальній. Тому Місяць на навколоземній орбіті також можна розглядати як інерційну систему. Однак ця система буде відрізнятися від точки до точки, оскільки змінюється гравітаційне поле. (У прикладі з Місяцем гравітаційне поле змінює напрямок з однієї точки в іншу.) Принцип, згідно з яким завжди можна знайти інерційну систему в будь-якій точці простору і часу, в якій фізика підпорядковується законам у відсутності гравітації, називається принципом еквівалентності.
Гравітація як прояв геометричних властивостей простору-часу
Той факт, що гравітаційні сили можна розглядати як прискорення в інерційних системах координат, які відрізняються від точки до точки, означає, що гравітація - це геометричне поняття.
Ми говоримо, що простір-час викривляється. Розглянемо м`яч на плоскій поверхні. Він буде спочивати або, якщо немає ніякого тертя, рівномірно рухатися при відсутності дії будь-яких сил на нього. Якщо поверхню викривляється, м`яч прискориться і буде рухатися до найнижчої точки, вибираючи найкоротший шлях. Аналогічним чином теорія Ейнштейна стверджує, що чотиривимірний простір-час викривлене, і тіло рухається в цьому викривленому просторі з геодезичної лінії, якої відповідає найкоротший шлях. Тому гравітаційне поле і діючі в ньому на фізичні тіла гравітаційні сили - це геометричні величини, які залежать від властивостей простору-часу, які найбільш сильно змінюються поблизу масивних тіл.
