Космонавтика вимагає нової механіки та нового розуміння гравітації. Що таке гравітація простими словами Сила гравітації на землі

Напевно, ви чули, що гравітація – це не сила. І це правда. Однак ця правда залишає багато питань. Наприклад, ми зазвичай говоримо, що гравітація "притягує" об'єкти. Під час уроків фізики нам казали, що гравітація притягує об'єкти до центру Землі. Але як це можливо? Як гравітація може бути силою, але при цьому притягувати об'єкти?

Насамперед, треба засвоїти, що правильний термін – це «прискорення», а не «тяжіння». Насправді, гравітація зовсім не притягує об'єкти, вона деформує систему простору-часу (система, за принципами якої ми живемо), об'єкти слідують за хвилями, що утворилися в результаті деформації, і іноді можуть прискорюватися.

Завдяки Альберту Ейнштейну та його теорії відносності, ми знаємо, що простір-час змінюється під впливом енергії. І найважливіша частина цього рівняння – це маса. Енергія маси об'єкта змушує простір-час змінюватися. Маса згинає простір-час, і вигини спрямовують енергію. Таким чином, вірніше думати про гравітацію не як про силу, бо як про викривлення простору-часу. Як гумове покриття викривляється під кулею для боулінгу, так простір-час викривляється масивними об'єктами.

Так само, як автомобіль їде дорогою з різними вигинами та поворотами, об'єкти переміщаються по подібних вигинах та викривленням у просторі та часі. І так само, як автомобіль прискорюється, коли спускається вниз з пагорба, масивні об'єкти створюють екстремальні віражі у просторі та часі. Сила тяжіння здатна розганяти об'єкти, коли вони входять у глибокі гравітаційні колодязі. Цей шлях, яким об'єкти йдуть через простір-час, називають «геодезичною траєкторією».

Щоб краще зрозуміти, як працює гравітація і як вона може прискорювати об'єкти, розглянемо розташування Землі та Місяця щодо один одного. Земля - ​​це досить потужний об'єкт, принаймні, в порівнянні з Місяцем, і наша планета змушує простір-час згинатися. Місяць обертається навколо Землі через перекоси у просторі та часі, які викликані масою планети. Таким чином, Місяць просто подорожує вздовж вигину в просторі-часі, який ми називаємо орбітою. Місяць не відчуває ніякої сили, що діє на неї, вона просто йде по певному шляху, що виник.

Ні для кого не секрет, що закон всесвітнього тяжіння був відкритий великим англійським ученим Ісааком Ньютоном, який за легендою гуляє у вечірньому саду і роздумує над проблемами фізики. У цей момент з дерева впало яблуко (за однією версією прямо на голову фізику, за іншою просто впало), яке стало згодом знаменитим яблуком Ньютона, оскільки призвело вченого до осяяння, еврики. Яблуко, що впало на голову Ньютону і надихнуло того до відкриття закону всесвітнього тяжіння, адже Місяць у нічному небі залишався не рухливим, яблуко ж упало, можливо, подумав учений, що якась сила впливає як на Місяць (примушуючи його обертатися орбітою), так і на яблуко, змушуючи його падати на землю.

Зараз, як запевняють деякі історики науки, вся ця історія про яблуко лише гарна вигадка. Насправді падало яблуко чи ні, не так важливо, що вчений таки справді відкрив і сформулював закон всесвітнього тяжіння, який нині є одним із наріжних каменів, як фізики, так і астрономії.

Зрозуміло, і задовго до Ньютона люди спостерігали, як речі, що падають на землю, так і зірки в небі, але до нього вони вважали, що існує два типи гравітації: земна (діюча виключно в межах Землі, що змушує тіла падати) і небесна (діюча на зірки та Місяць). Ньютон же був першим, хто об'єднав ці два типи гравітації у своїй голові, першим, хто зрозумів, що гравітація є лише одна і її дію можна описати універсальним фізичним законом.

Визначення закону всесвітнього тяжіння

Відповідно до цього закону, всі матеріальні тіла притягують одне одного, при цьому сила тяжіння не залежить від фізичних чи хімічних властивостей тіл. Залежить вона, якщо все максимально спростити, лише від ваги тіл та відстані між ними. Також додатково потрібно взяти до уваги той факт, що на всі тіла, що знаходяться на Землі, діє сила тяжіння самої нашої планети, що отримала назву – гравітація (з латині слово «gravitas» перекладається як тяжкість).

Спробуємо тепер сформулювати і записати закон всесвітнього тяжіння максимально коротко: сила тяжіння між двома тілами з масами m1 і m2 і розділеними відстанню R прямо пропорційна обом масам і назад пропорційна квадрату відстані між ними.

Формула закону всесвітнього тяжіння

Нижче подаємо вашій увазі формулу закону всесвітнього тяжіння.

G у цій формулі це гравітаційна постійна, рівна 6,67408(31) 10 −11 ця величина на будь-який матеріальний об'єкт сили гравітації нашої планети.

Закон всесвітнього тяжіння та невагомість тіл

Відкритий Ньютоном закон всесвітнього тяжіння, а також супутній математичний апарат пізніше лягли в основу небесної механіки та астрономії, адже за допомогою нього можна пояснити природу руху небесних тіл, як і явище невагомості. Перебуваючи в космічному просторі на значній відстані від сили тяжіння-гравітації такого великого тіла як планета, будь-який матеріальний об'єкт (наприклад, космічний корабель з астронавтами на борту) виявиться в стані невагомості, оскільки сила гравітаційного впливу Землі (G у формулі закону тяжіння) або якоїсь іншої планети, більше не впливатиме на нього.

Закон всесвітнього тяжіння, відео

І на завершення повчальне відео про відкриття закону всесвітнього тяжіння.

1 907

Гравітація (сила тяжіння) – це сила, яка притягує два тіла одне до одного, сила, яка змушує яблука падати до землі, а планети обертатися навколо Сонця. Чим потужніший об'єкт, тим сильніше його гравітаційне тяжіння.

Фундаментальна сила

Гравітація є однією з чотирьох фундаментальних сил, поряд з електромагнітними, та сильними та слабкими ядерними взаємодіями.

Це те, що змушує предмети мати вагу. Коли ви зважуєте себе, шкала каже вам, наскільки гравітація діє ваше тіло. На Землі сила тяжіння складає 9,8 метра за секунду у квадраті, або 9,8 м/с 2 .

Такі філософи, як Аристотель, вважали, що більш важкі предмети прискорюються у напрямку землі швидше. Але пізніші експерименти показали, що це негаразд. Причина того, що перо падатиме повільніше, ніж куля для боулінгу, обумовлений опором повітря, що діє в протилежному напрямку, як прискорення сили тяжіння.

Закон всесвітнього тяжіння Ньютона говорить, що сила тяжіння прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Ісаак Ньютон розробив свою теорію всесвітнього тяжіння у 1680-х роках. Він виявив, що гравітація діє на всю речовину і є як функцією маси, так і відстані. Кожен об'єкт притягує інший об'єкт із силою, пропорційною добутку їх мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними.

Теорія відносності

Ньютон опублікував свою роботу з гравітації в 1687 році, яка вважалася найкращим поясненням, поки Ейнштейн не вигадав свою Загальну теорію відносності у 1915 році. Теоретично Ейнштейна гравітація – це сила, а скоріше наслідок те, що матерія спотворюється у простір-часу. Одне з передбачень Загальної теорії відносності у тому, що світло згинатися навколо потужних об'єктів.

Смішні факти

• Гравітація складає близько 16 відсотків від земної, Марс має близько 38 відсотків земного тяжіння, в той час як найбільша планета в Юпітер, має в 2,5 рази більше гравітації Землі.
• Хоча ніхто не «відкрив» гравітацію, за легендою, знаменитий астроном Галілео Галілей зробив деякі з ранніх експериментів з гравітацією, скинувши кулі з Пізанської вежі, щоб побачити, як швидко вони впали.
• Ісааку Ньютону було всього 23 роки і він повернувся з університету, коли помітив яблуко, що пало в його саду, і почав розгадувати таємниці гравітації. (Можливо це міф про те, що яблуко впало йому на голову).
• Рання міра теорії відносності Ейнштейна полягала у вигині зоряного світла поблизу Сонця під час сонячного затемнення 29 травня 1919 року.

Гравітація - це "викривлення" простору. Чим більша маса, тим більше «викривлення» простору і, отже, у це «викривлення» «скочуються» легші об'єкти. Всі об'єкти, що обертаються навколо Сонця, утримуються на своїх орбітах гравітацією. Але вона виконує функції якоїсь прив'язі, але ще й стала тією силою, що створила ці об'єкти. Сила тяжіння не дозволяє планетам вибирати шлях на власний розсуд, закільцювавши їх орбіти. Але залежність від цієї сили зменшується експоненційно - при видаленні вдвічі, вплив послаблюється вчетверо, а потроєння видалення послаблює силу вже в дев'ять разів.

Ньютон безпосередньо асоціював гравітацію із силою тяжіння. До тіла прикладена сила тяжіння, джерелом якої є інше тіло (або тіла), а гравітаційного поля як такого просто не існує. Оскільки гравітація відноситься до прямої взаємодії тіл, то й вона визначається Законом всесвітнього тяжіння. Гравітаційному полю надано умовний характер, необхідний лише розрахунків. Для земних умов це цілком припустимо.

Гравітація від Ейнштейна

Гравітаційний вплив описував ще Аристотель. Він вважав, що швидкість падіння предмета залежить від його маси. Але лише Галілей зміг зрозуміти, що будь-яке тіло має рівне значення прискорення. А Ейнштейн розвинув це твердження у своїй теорії відносності, описавши гравітацію з поняттям геометрії простору-часу.

У класичному поданні сила гравітаційної взаємодії двох точок має вигляд залежності маси цих точок від відстані у квадраті між ними. Чим більше тіло, тим більше гравітаційне поле може створити.

Хоча гравітація – взаємодія дуже слабке, але дія її поширюється будь-які відстані.

Гравітаційне тяжіння універсально характером на матерію, немає об'єктів, які мають його. Ейнштейн постулював, що гравітаційні ефекти зумовлюються не силовими впливами тіла чи поля, що у просторі-часі, а змінами у самому просторі-часі. Все це відбувається через наявність мас-енергії. За теорією Ейнштейна, маса та енергія – це єдиний параметр тіл. Їх пов'язує всім відома формула: Е = m с² Два масивні тіла, взаємодіючи між собою, викривлятимуть простір. Але чому відбувається це викривлення, Ейнштейн дати відповіді не зміг. Гравітація, з огляду на свою глобальність, відповідає за явища великих масштабів. Це структури, що розширюється Всесвіт. Але й прості факти астрономії – планетні орбіти, земне тяжіння, падіння тіл – теж залежні від гравітації.

Небесна механіка

Ця частина механіки вивчає рух тіл, що у нічим не заповненому просторі, куди діє лише гравітація. Найпростіше завдання розділу – обґрунтування гравітаційного впливу двох тіл, точкових чи сферичних, у порожньому просторі. Якщо ж тіл, які взаємодіють одна на одну, більша кількість, завдання ускладнюється. Чисельне рішення призводить до нестійкості рішень від початкових умов. Тобто, застосувавши її до нашої планетної системи, ми не зуміємо передбачити планетні рухи на періоди, що перевищили сто мільйонів років. Опис довготривалої поведінки системи, що складається з багатьох тіл, що притягуються, зі схожою масою, поки неможливо. Цьому заважає поняття динамічний хаос.

Гравітаційні хвилі

Гравітаційні хвилі - зміни гравітаційного поля, що поширюються подібно до хвиль. Випромінюються рухомими масами, але після випромінювання відриваються від них і існують незалежно від цих мас. Математично пов'язані з обуренням метрики простору-часу і можуть бути описані як «брижі простору-часу». Гравітаційні хвилі пророкуються загальною теорією відносності. Вперше вони були безпосередньо виявлені у вересні 2015 року двома детекторами-близнюками обсерваторії LIGO, на яких були зареєстровані гравітаційні хвилі, що виникли, ймовірно, в результаті злиття двох чорних дір та утворення однієї більш масивної чорної діри, що обертається.

Гравітон

Оскільки гравітаційна взаємодія є, вона має якось переноситися. У 30-х роках ХХ століття кандидатом у переносники став гравітон. Ця частка поки що гіпотетична, але вона повинна мати спін 2 і два ймовірні напрями поляризації. Деякі фізики наполегливо відкидають існування цієї частки. Вони припускають: якщо гравітони є, їх повинні випромінювати чорні дірки, але це входить у протиріччя з ОТО.Але спроби розширити стандартну модель такими частинками пов'язані з реальними труднощами у сфері високих енергій. На вирішенні цього завдання засновані деякі теорії квантової гравітації, що розробляються. За їхніми положеннями гравітони - стан струн, а не точкові частки. Але низькі енергії їх все ж таки зараховують до частинок точкових. Поки гравітони виявлено не були, бо гравітаційні впливи їх надзвичайно слабкі.

Квантова гравітація

Універсальної квантової теорії, яка б пояснила саме поняття гравітації, ще не розроблено.Для представлення гравітаційної взаємодії було б ймовірно запропонувати гравітонний обмін, в якому гравітони виступають як калібрувальні бозони зі спином 2. Але така теорія не вважається задовільною. На сьогодні є кілька підходів, що дозволяють квантування гравітації. Ці підходи вважаються досить перспективними.

• Теорія струн.Вона замінює частинки фону простору-часу на та лайки (подібність до струн). Для вирішення багатовимірних завдань, лайки бачаться як частинки вже багатовимірні, але в той же час вони і структури простору-часу. Гравітони тут стають станом струн, а чи не окремими частинками. Хоча низькі енергії їх до них і зараховують.
• Петльова квантова гравітація. Тут час та простір є дискретними частинами. Вони не прив'язані до фону простору-часу, будучи квантовими просторовими осередками. Вони між собою з'єднані таким чином, що в малих часових масштабах є дискретною структурою простору. При укрупненні масштабів частини плавно стають безперервним простором-часом. Петльова гравітація здатна описати сутність Великого вибуху, і навіть пролити світло з його переддень. Це навіть дозволяє обходитися без залучення.

Сильні гравітаційні поля

У дуже сильних гравітаційних полях можуть бути прояви деяких ефектів ОТО:

• закон тяжіння відхиляється від ньютоновського
• з'являються гравітаційні хвилі
• є ефекти нелінійності
• видимий простір-час змінює свою геометрію
• можлива поява сингулярностей та народження чорних дірок.

Але такі прояви можуть мати місце лише у тому випадку, якщо гравітація має силу нескінченно більшу. Поки найбільш щільними об'єктами Всесвіту, які вдалося виявити, є .В одній з багатьох теорій гравітаційне поле сприймається як основа будь-якого поля – магнітного, електричного, глюонного. У такому разі гравітони стають базовими елементами матерії. Ну, а чорна дірка є гравітонною, де силою тяжіння руйнуються абсолютно всі елементарні частинки, окрім гравітонів. І залишається лише одна властивість – гравітація.

Гравітаційний колапс

Коли потужне тіло, відчуваючи гравітаційні сили, трагічно швидко стискається, відбувається його колапс. Так може закінчитися життя зірки, що має масу понад три сонячні. Коли в зірках закінчується запас палива для продовження термоядерного процесу, їхня механічна стійкість порушується, і відбувається стрімке, з прискоренням, стиск до центральної частини. Якщо тиск усередині зірки, що постійно зростає, зможе зупинити стиск, то центральна частина світила перетвориться на нейтронну зірку. При цьому можливе скидання оболонки і спалах наднової. Але за перевищенні зіркою маси, певної межею Оппенгеймера-Волкова, колапс закінчиться перетворенням їх у чорну діру. Значення цієї межі поки що точно не встановлено.

Деякі парадокси

1. Супутник, що обертається навколо Землі, по відношенню до планети, невагою. І все, що в ньому знаходиться, також неважко. , відносно , знову ж таки невагома, але тіла на її поверхні вагою вже володіють. Теж саме і з Землею. Вона невагома щодо, але ми на ній вага відчуваємо. Сонце теж невагоме щодо галактичного ядра. І так – до нескінченності.
2. У зірках, у процесі термоядерних реакцій, створюється величезний тиск. Але він стримується гравітаційними силами. Тобто існування зірки можливе тому, що є динамічна рівновага: температура-тиск – гравітаційні сили.
3. У чорній дірі припиняються всі процеси, крім одного – гравітації. Її ніщо не може поглинути чи викривити.

Слово "гравітація" прийшло до нас з латинської мови, дослівно воно перекладається як "тяжкість". Навіть якщо ви не знаєте, що таке гравітація, будьте впевнені: ви стикаєтеся з цим явищем щодня, навіть зараз.

Спробуємо розібратися із цим терміном.

Значення поняття

Гравітація, або як її ще називають тяжіння чи тяжіння, означає повну взаємодію між усіма матеріальними тілами землі. Це унікальне явище було описано багатьма вченими. Наприклад, особливу увагу цьому питанню приділяв Ісаак Ньютон. Він навіть створив теорію, яка сьогодні називається теорією тяжіння Ньютона.

У ній Ньютон зазначив, що гравітація асоційована із силою тяжіння. Сутність даного явища Ньютон пояснив так: до якогось тіла додається сила тяжкості, джерело якої - інше тіло. У своєму Законі Всесвітнього Тяжіння Ньютон визначив, що всі тіла взаємодіють один з одним із силою, прямо пропорційною добутку мас цих тіл і обернено пропорційною квадрату відстані між ними.

Цікаво, що, незалежно від того, яким розміром є тіло, воно може створювати гравітаційне поле. Наприклад, об'єкти, що у космосі, такі як галактики, зірки і планети, можуть створювати досить великі гравітаційні поля.

Гравітація впливає всі об'єкти, що у Всесвіту. Завдяки їй відбуваються такі великі ефекти, як розширення масштабів Всесвіту, освіта та дія чорних дірок та структури галактик.

Інші теорії

Явище тяжіння описував у математичному вигляді Аристотель. Він вважав, що на швидкість падіння тіл впливає їхня маса. Що більше важить об'єкт, то швидше він падає. І лише через багато сотень років Галілео Галілей за допомогою експериментів довів, що дана теорія помилкова. Коли опір повітря відсутня, всі тіла прискорюються однаково.

На початку XX століття про гравітацію почав говорити всім відомий зараз Альберт Ейнштейн. Він створив Загальну теорію відносності, яка точніше стала описувати явище тяжіння. Ейнштейн пояснив, що ефекти гравітації обумовлені деформацією простору-часу, який має зв'язок із присутністю маси-часу. Ця теорія зараз найправильніша, вона доведена експериментально.