Gravitacijske sile: definicija, formula, vrste

Na vprašanje »Kaj je sila?« Fizika odgovarja takole: »Sila je merilo medsebojnega delovanja materialnih teles med seboj ali med telesi in drugimi materialnimi predmeti - fizičnimi polji.« Vse sile v naravi lahko pripišemo štirim temeljnim tipom interakcij: močnim, šibkim, elektromagnetnim in gravitacijskim. Naš članek govori o tem, kakšne so gravitacijske sile - merilo slednje in morda najbolj razširjena narava teh interakcij.

Začnimo s privlačnostjo zemlje

Vsi, ki živijo, vedo, da obstaja sila, ki pritegne predmete na zemljo. Ponavadi se imenuje gravitacija, gravitacija ali gravitacija. Zaradi svoje prisotnosti v človeku so se pojavili koncepti »vrh« in »dno«, ki določata smer gibanja ali lokacijo nečesa glede na zemeljsko površino. Torej se v določenem primeru, na površini zemlje ali blizu njega, pojavijo gravitacijske sile, ki pritegnejo predmete, ki imajo maso, med seboj, ki izražajo svoje delovanje na vseh majhnih ali zelo velikih razdaljah, tudi s kozmičnimi standardi.

Gravitacija in Newtonov tretji zakon

Kot je dobro znano, se vsaka sila, če se šteje za merilo interakcije fizičnih teles, vedno uporablja za katerokoli od njih. Torej v gravitacijski interakciji med seboj vsak od njih doživlja takšne vrste gravitacijskih sil, ki jih povzroča vpliv vsakega od njih. Če obstajata samo dva telesa (predpostavlja se, da je mogoče zanemariti delovanje vseh drugih), potem bo vsak od njih, v skladu s tretjim Newtonovim zakonom, privabil drugo telo z isto silo. Tako se Luna in Zemlja medsebojno privlačita, kar povzroči plimovanje in iztekanje Zemljinih morij.

Vsak planet v sončnem sistemu doživlja več privlačnih sil iz Sonca in drugih planetov. Seveda je sila privlačnosti Sonca tista, ki določa obliko in velikost njene orbite, astronomi pa upoštevajo tudi vpliv drugih nebesnih teles v svojih trajektorijah gibanja.

Kaj hitro pade na tla z višine?

Glavna značilnost te sile je, da vsi predmeti padajo na zemljo z eno hitrostjo, ne glede na njihovo maso. Nekoč, vse do 16. stoletja, je veljalo, da je resnično nasprotno - težji telesi naj bi padali hitreje od lahkih. Da bi odpravil to zmotno predstavo, je moral Galileo Galileo izvesti svojo slavno izkušnjo, da je iz nagnjenega nagnjenega stolpa v Pisi hkrati spustil dve topni krogli različnih uteži. V nasprotju s pričakovanji prič, so obe jedri hkrati dosegli površino. Danes vsak učenec ve, da se je to zgodilo zaradi dejstva, da sila gravitacije komunicira enako pospeševanje s katerim koli telesom. prosti padec g = 9,81 m / s ² ne glede na maso m tega telesa, njegova vrednost pa je po Newtonovem drugem zakonu F = mg.

Gravitacijske sile na luni in na drugih planetih imajo različne pomene tega pospeška. Vendar je narava delovanja gravitacije na njih enaka.

Teža in telesna teža

Če se prva sila nanaša neposredno na telo, potem je druga na njegovo oporo ali vzmetenje. V tem primeru elastične sile vedno delujejo na telesa s strani nosilcev in vzmetenja. Gravitacijske sile, ki se uporabljajo za ista telesa, delujejo zanje.

Predstavljajte si obremenitev vzmeti nad tlemi. Na njo sta uporabljeni dve sili: elastična sila napete vzmeti in sila gravitacije. Glede na tretji Newtonov zakon, obremenitev deluje na vzmet s silo, ki je enaka in nasprotna sili elastičnosti. Ta moč bo njegova teža. Pri teži 1 kg je teža P = 1 kg .8 9,81 m / s ² = 9,81 N (newton).

Gravitacijske sile: definicija

Prvo kvantitativno teorijo gravitacije, ki temelji na opazovanju gibanja planetov, je oblikoval Isaac Newton leta 1687 v svojem slavnem "Začetku naravne filozofije". Napisal je, da so sile privlačnosti, ki delujejo na sonce in planete, odvisne od količine snovi, ki jo vsebujejo. So raztezajo na velikih razdaljah in se vedno zmanjšajo kot obratni kvadrat razdalje. Kako se lahko izračunajo te gravitacijske sile? Formula za silo F med dvema objektoma z maso m ₁ in m _{2, ki se} nahajata na razdalji r, je naslednja:

• F = Gm ₁ m ₂ / r ² ,
  kjer je G stalna proporcionalnost, t gravitacijska konstanta.

Mehanizem fizične gravitacije

Newton ni bil popolnoma zadovoljen s svojo teorijo, saj je predvideval interakcijo med telesi, ki pritegnejo na daljavo. Veliki Anglež je bil sam prepričan, da mora biti nekaj fizičnega agenta, ki je odgovoren za prenos dejanj enega telesa v drugega, kar je zelo jasno izrazil v eni od svojih pisem. Toda čas, ko je bil uveden koncept gravitacijskega polja, ki prežema ves prostor, je prišel šele po štirih stoletjih. Danes, ko govorimo o gravitaciji, lahko govorimo o interakciji katerega koli (kozmičnega) telesa z gravitacijskim poljem drugih teles, merilo katerega so gravitacijske sile, ki nastajajo med vsakim parom teles. Pravo sveta, ki ga je oblikoval Newton v zgornji obliki, ostaja resničen in potrjujejo številna dejstva.

Teorija gravitacije in astronomije

Zelo uspešno je bila uporabljena pri reševanju problemov nebesne mehanike v XVIII. In zgodnjem XIX. Stoletju. Na primer, matematiki D. Adams in U. Le Verrier, ki analizirata kršitve Urana, sta predlagali, da na to vplivajo gravitacijske sile interakcije z še neznanim planetom. Navedli so nameravano mesto in kmalu so Neptun tam odkrili astronom I. Galle.

Čeprav je bila ena težava. Le Verrier je leta 1845 izračunal, da orbita živega srebra presega 35 ”na stoletje, v nasprotju z ničelno vrednostjo te precesije, pridobljene po Newtonovi teoriji. Nadaljnje meritve so dale natančnejšo vrednost 43 ''. (Opazovana precesija je dejansko 570 "/ stoletje, toda mučen izračun, ki vam omogoča, da odštejete vpliv vseh drugih planetov, daje vrednost 43".

Šele leta 1915 je Albert Einstein razložil to neskladje v okviru teorije gravitacije, ki jo je ustvaril. Izkazalo se je, da masivno Sonce, tako kot vsako drugo masivno telo, v svoji bližini zavija prostor-čas. Ti učinki povzročajo odstopanja v orbitah planetov, vendar se v Merkurju, kot najmanjši in najbližji planet naši zvezdi, najmočneje manifestirajo.

Inercialne in gravitacijske mase

Kot je navedeno zgoraj, je Galileo prvi opazil, da predmeti padajo na tla z enako hitrostjo, ne glede na njihovo maso. V Newtonovih formulah pojem mase izhaja iz dveh različnih enačb. Njegov drugi zakon pravi, da sila F, uporabljena za telo z maso m, daje pospešek po enačbi F = ma.

Vendar pa sila gravitacije F, ki se nanaša na telo, ustreza formuli F = mg, kjer je g odvisen od drugega telesa, ki je v interakciji s subjektom (zemlja običajno, ko govorimo o gravitaciji). V obeh enačbah je m sorazmerni koeficient, v prvem primeru pa inercialna masa, v drugem pa gravitacijska in ni očitnega razloga, da bi morali biti isti za vsak fizični objekt.

Vendar pa vsi poskusi kažejo, da je to res.

Einsteinova teorija gravitacije

Dejstvo enakosti inercialnih in gravitacijskih mas je vzel kot izhodišče za svojo teorijo. Uspelo mu je sestaviti enačbe gravitacijskega polja, znane Einsteinove enačbe in z njihovo pomočjo izračunati pravilno vrednost precesije Merkurjeve orbite. Prav tako dajejo izmerjeno deformacijo svetlobnih žarkov, ki prehajajo v bližini sonca, in nedvomno iz njih izhajajo pravilni rezultati za makroskopsko gravitacijo. Einsteinova teorija gravitacije, ali splošna teorija relativnosti (GTR), kot je sam imenoval, je eden največjih zmag moderne znanosti.

Gravitacijske sile - je pospešek?

Če ne morete razlikovati inercialne mase od gravitacijske mase, potem ne morete razlikovati med gravitacijo in pospeškom. Poskus v gravitacijskem polju se lahko izvede v pospešenem dvigalu brez gravitacije. Ko se astronavt v raketi pospeši in se odmakne od zemlje, doživlja težo, ki je večkrat večja od zemlje, in ogromen del je posledica pospeševanja.

Če nihče ne more razlikovati gravitacije od pospeševanja, potem se lahko prvi vedno reproducira s pospeškom. Sistem, v katerem pospešek nadomešča gravitacijo, se imenuje inercija. Zato se lahko luna v orbiti Zemlje obravnava tudi kot inercialni sistem. Vendar se bo ta sistem od točke do točke razlikoval, saj se gravitacijsko polje spreminja. (V primeru Lune gravitacijsko polje spremeni smer iz ene točke v drugo.) Načelo, da se inercialni sistem vedno lahko najde na kateri koli točki v prostoru in času, v katerem fizika spoštuje zakone v odsotnosti gravitacije, se imenuje načelo enakovrednosti.

Gravitacija kot manifestacija geometrijskih lastnosti prostora-časa

Dejstvo, da se gravitacijske sile lahko obravnavajo kot pospeški v inercialnih koordinatnih sistemih, ki se razlikujejo od točke do točke, pomeni, da je gravitacija geometrijski koncept.

Pravimo, da je prostor-čas upognjen. Razmislite o krogli na ravni površini. Spočil se bo ali, če ni trenja, se premika enakomerno, brez sile, ki bi delovala nanj. Če se površina upogne, se bo kroglica pospešila in se premaknila na najnižjo točko in izbrala najkrajšo pot. Podobno Einsteinova teorija navaja, da je štiridimenzionalni prostor-čas ukrivljen in telo se premika v tem ukrivljenem prostoru vzdolž geodetske črte, ki ustreza najkrajši poti. Zato so gravitacijsko polje in gravitacijske sile, ki delujejo na fizična telesa v njem, geometrijske količine, ki so odvisne od lastnosti prostor-časa, ki se najbolj močno spreminjajo v bližini masivnih teles.