Gravitacijske sile: definicija, formula, tipovi

Na pitanje "Što je sila?", Fizika odgovara na sljedeći način: "Sila je mjera interakcije materijalnih tijela između njih ili između tijela i drugih materijalnih objekata - fizičkih polja." Sve sile u prirodi mogu se pripisati četirima temeljnim vrstama interakcija: jakim, slabim, elektromagnetskim i gravitacijskim. Naš članak govori o tome što su gravitacijske sile - mjera potonjeg i, možda, najrasprostranjenija u prirodi tih interakcija.

Počnimo s atrakcijom zemlje

Svi koji žive znaju da postoji sila koja privlači predmete na zemlju. Obično se naziva gravitacija, gravitacija ili gravitacija. Zbog svoje prisutnosti u ljudima, pojavili su se pojmovi "vrh" i "dno", koji određuju smjer kretanja ili položaj nečega u odnosu na površinu Zemlje. Tako se u određenom slučaju, na površini zemlje ili blizu njega, gravitacijske sile manifestiraju, koje privlače objekte koji imaju masu, međusobno, manifestirajući svoje djelovanje na bilo kojoj maloj ili vrlo velikoj udaljenosti, čak i kozmičkim standardima.

Gravitacija i Newtonov treći zakon

Kao što je dobro poznato, svaka se sila, ako se smatra mjerom interakcije fizičkih tijela, uvijek primjenjuje na bilo koju od njih. Dakle, u gravitacijskoj interakciji tijela jedni s drugima, svaka od njih doživljava takve vrste gravitacijskih sila, koje su uzrokovane utjecajem svakog od njih. Ako postoje samo dva tijela (pretpostavlja se da se djelovanje svih ostalih može zanemariti), onda će svaki od njih, prema trećem Newtonovom zakonu, privući još jedno tijelo s istom silom. Tako se Mjesec i Zemlja međusobno privlače, što rezultira osekom i protokom Zemljinih mora.

Svaki planet u Sunčevom sustavu doživljava nekoliko privlačnih sila iz Sunca i drugih planeta. Naravno, sila privlačnosti Sunca određuje oblik i veličinu svoje orbite, ali astronomi također uzimaju u obzir utjecaj drugih nebeskih tijela u njihovim putanjama kretanja.

Što brzo pada s tla s visine?

Glavna značajka ove sile je da svi objekti padnu na zemlju jednom brzinom, bez obzira na njihovu masu. Jednom, sve do 16. stoljeća, smatralo se da je točno suprotno - teža tijela trebaju pasti brže od svjetlosnih. Da bi raspršio ovu zabludu, Galileo Galileo je morao izvesti svoje poznato iskustvo istovremenog bacanja dvije topovske kugle različitih težina s nagnutog kosog tornja u Pisi. Suprotno očekivanjima svjedoka eksperimenta, obje jezgre su istodobno dosegle površinu. Danas svaki učenik zna da se to dogodilo zbog činjenice da sila gravitacije prenosi isto ubrzanje na bilo koje tijelo. slobodni pad g = 9,81 m / s ² bez obzira na masu m ovog tijela, a vrijednost prema Newtonovom drugom zakonu je F = mg.

Gravitacijske sile na Mjesecu i na drugim planetima imaju različita značenja tog ubrzanja. Međutim, priroda djelovanja gravitacije na njih je ista.

Gravitacija i tjelesna težina

Ako se prva sila primijeni izravno na tijelo, onda na drugu snagu ili suspenziju. U tom slučaju, elastične sile uvijek djeluju na tijela sa strane nosača i ovjesa. Gravitacijske sile primijenjene na ista tijela djeluju prema njima.

Zamislite opterećenje koje je visjelo iznad tla na izvoru. Na nju se primjenjuju dvije sile: elastična sila napete opruge i sila gravitacije. Prema trećem zakonu Newtona, opterećenje djeluje na oprugu sa silom jednakom i suprotnom sili elastičnosti. Ta će snaga biti njegova težina. Za težinu od 1 kg, težina je P = 1 kg .8 9,81 m / s ² = 9,81 N (newton).

Gravitacijske sile: definicija

Prva kvantitativna teorija gravitacije, utemeljena na promatranju kretanja planeta, formulirao je Isaac Newton 1687. godine u svom poznatom "Početku prirodne filozofije". Napisao je da privlačne sile koje djeluju na sunce i planete ovise o količini tvari koju sadrže. Oni jesu proširiti na velike udaljenosti i uvijek smanjiti kao obrnuto od kvadrata udaljenosti. Kako se te sile gravitacije mogu izračunati? Formula za silu F između dva objekta s masom m ₁ i m _{2 koja se} nalazi na udaljenosti r je sljedeća:

• F = Gm ₁ m ₂ / r ² ,
  gdje je G konstanta proporcionalnosti, gravitacijska konstanta.

Mehanizam fizičke gravitacije

Newton nije bio potpuno zadovoljan svojom teorijom, budući da je pretpostavio interakciju između tijela koja privlače na udaljenosti. Sam Veliki Englez bio je uvjeren da mora postojati neki fizički agent odgovoran za prijenos djelovanja jednog tijela u drugo, što je vrlo jasno izrazio u jednom od svojih pisama. Ali vrijeme kada je uveden koncept gravitacijskog polja, koje prožima sav prostor, došlo je tek nakon četiri stoljeća. Danas, govoreći o gravitaciji, možemo govoriti o interakciji bilo kojeg (kozmičkog) tijela s gravitacijskim poljem drugih tijela, čija je mjera gravitacijske sile koje nastaju između svakog para tijela. Zakon svijeta, formuliran od strane Newtona u gore navedenom obliku, ostaje istinit i potvrđen mnogim činjenicama.

Teorija gravitacije i astronomije

To je vrlo uspješno primijenjeno na rješavanje problema nebeske mehanike tijekom XVIII i početkom XIX stoljeća. Na primjer, matematičari D. Adams i U. Le Verrier, analizirajući kršenje orbite Urana, sugerirali su da na njega djeluju gravitacijske sile interakcije s još nepoznatom planetom. Oni su naznačili njezinu namjeravanu poziciju, a ubrzo je Neptun tu otkrio astronom I. Galle.

Iako je postojao jedan problem. Le Verrier 1845. izračunao je da orbita Merkura prelazi 35 ”po stoljeću, za razliku od nulte vrijednosti ove precesije dobivene prema Newtonovoj teoriji. Naknadna mjerenja dala su točniju vrijednost 43 ''. (Promatrana precesija je doista 570 "/ stoljeće, ali mukotrpni izračun, koji vam omogućuje da oduzmete utjecaj svih drugih planeta, daje vrijednost od 43".

Tek je 1915. godine Albert Einstein uspio objasniti tu razliku u okviru teorije gravitacije koju je stvorio. Pokazalo se da masivno Sunce, kao i svako drugo masivno tijelo, savija prostor-vrijeme u svojoj blizini. Ovi učinci uzrokuju odstupanja u orbitama planeta, ali u Merkuru, kao najmanji i najbliži planet našoj zvijezdi, oni se najjače manifestiraju.

Inercijalne i gravitacijske mase

Kao što je gore navedeno, Galileo je prvi primijetio da objekti padaju na tlo istom brzinom, bez obzira na njihovu masu. U Newtonovim formulama pojam mase dolazi iz dvije različite jednadžbe. Njegov drugi zakon kaže da sila F koja se primjenjuje na tijelo s masom m daje ubrzanje prema jednadžbi F = ma.

Međutim, sila gravitacije F koja se primjenjuje na tijelo zadovoljava formulu F = mg, gdje g ovisi o drugom tijelu u interakciji s subjektom (zemlja obično, kad govorimo o gravitaciji). U obje jednadžbe m je koeficijent proporcionalnosti, ali u prvom slučaju to je inercijalna masa, au drugom gravitacijska, i nema očiglednog razloga da bi oni trebali biti isti za svaki fizički objekt.

Međutim, svi eksperimenti pokazuju da je to istina.

Einsteinova teorija gravitacije

Činjenicu jednakosti inercijalnih i gravitacijskih masa uzeo je kao polaznu točku svoje teorije. Uspio je konstruirati jednadžbe gravitacijskog polja, poznate Einsteinove jednadžbe, i uz njihovu pomoć izračunati ispravnu vrijednost za precesiju orbite Merkura. Oni također daju izmjereni otklon svjetlosnih zraka koji prolaze blizu sunca i nema sumnje da iz njih slijede ispravni rezultati za makroskopsku gravitaciju. Einsteinova teorija gravitacije, ili opća teorija relativnosti (GTR), kako ga je sam nazvao, jedan je od najvećih uspjeha moderne znanosti.

Gravitacijske sile - je ubrzanje?

Ako ne možete razlikovati inercijsku masu od gravitacijske mase, onda ne možete razlikovati gravitaciju i ubrzanje. Eksperiment u gravitacijskom polju može se umjesto toga izvoditi u ubrzanom dizalu u odsustvu gravitacije. Kada astronaut u raketi ubrza, udaljava se od zemlje, on doživljava gravitaciju, koja je nekoliko puta veća od zemlje, a golem dio toga dolazi od ubrzanja.

Ako nitko ne može razlikovati gravitaciju od ubrzanja, tada se prvo može uvijek reproducirati ubrzanjem. Sustav u kojem ubrzanje zamjenjuje gravitaciju naziva se inercija. Dakle, mjesec u orbiti Zemlje može se također smatrati inercijskim sustavom. Međutim, ovaj će se sustav razlikovati od točke do točke, budući da se gravitacijsko polje mijenja. (Na primjeru Mjeseca gravitacijsko polje mijenja smjer iz jedne točke u drugu.) Princip da se inercijalni sustav uvijek može naći u bilo kojoj točki u prostoru i vremenu u kojem se fizika pokorava zakonima u odsutnosti gravitacije naziva se principom ekvivalencije.

Gravitacija kao manifestacija geometrijskih svojstava prostora-vremena

Činjenica da se gravitacijske sile mogu smatrati ubrzanjima u inercijalnim koordinatnim sustavima koji se razlikuju od točke do točke znači da je gravitacija geometrijski koncept.

Kažemo da je prostor-vrijeme savijeno. Razmotrite loptu na ravnoj površini. On će se odmarati ili, ako nema trenja, ravnomjerno se kreće bez ikakve sile koja djeluje na njega. Ako se površina savije, lopta će se ubrzati i premjestiti na najnižu točku, birajući najkraći put. Slično tome, Einsteinova teorija navodi da je četverodimenzionalni prostor-vrijeme zakrivljeno, a tijelo se kreće u ovom zakrivljenom prostoru duž geodetske crte, koja odgovara najkraćem putu. Dakle, gravitacijsko polje i gravitacijske sile koje djeluju na fizička tijela u njemu su geometrijske veličine koje ovise o svojstvima prostor-vremena koje se najjače mijenjaju u blizini masivnih tijela.