Gravitaciona sila je jednaka. Gravitacijske sile: pojam i karakteristike primjene formule za njihov proračun. Opis zakona univerzalne gravitacije

Interakcija karakteristična za sva tijela Univerzuma i koja se manifestira u njihovoj međusobnoj privlačnosti jedno prema drugom naziva se gravitacioni, i sam fenomen univerzalne gravitacije gravitacije .

Gravitaciona interakcija odvija se kroz posebnu vrstu materije tzv gravitaciono polje.

Gravitacijske sile (sile gravitacije) uzrokovane su međusobnim privlačenjem tijela i usmjerene su duž linije koja povezuje tačke interakcije.

Newton je dobio izraz za silu gravitacije 1666. godine kada je imao samo 24 godine.

Zakon gravitacije: dva tijela se privlače jedno prema drugom silama koje su direktno proporcionalne proizvodu masa tijela i obrnuto proporcionalnim kvadratu udaljenosti između njih:

Zakon važi pod uslovom da su veličine tela zanemarljive u odnosu na rastojanje između njih. Također, formula se može koristiti za izračunavanje sila univerzalne gravitacije, za sferna tijela, za dva tijela, od kojih je jedno lopta, a drugo materijalna tačka.

Zove se koeficijent proporcionalnosti G = 6,68·10 -11 gravitaciona konstanta.

Fizičko značenje Gravitaciona konstanta je da je brojčano jednaka sili kojom se privlače dva tijela po 1 kg, koja se nalaze na udaljenosti od 1 m jedno od drugog.

Gravitacija

Zove se sila kojom Zemlja privlači obližnja tijela gravitacije , a Zemljino gravitaciono polje je gravitaciono polje .

Sila gravitacije usmjerena je naniže, prema centru Zemlje. U tijelu prolazi kroz tačku tzv centar gravitacije. Težište homogenog tijela koje ima centar simetrije (lopta, pravokutna ili okrugla ploča, cilindar itd.) nalazi se u tom centru. Štaviše, možda se ne podudara ni sa jednom tačkom datog tijela (na primjer, u blizini prstena).

U općenitom slučaju, kada je potrebno pronaći težište bilo kojeg tijela nepravilnog oblika, treba poći od sljedećeg obrasca: ako je tijelo okačeno na niti pričvršćenu uzastopno na različite točke tijela, tada se smjerovi označene niti će se preseći u jednoj tački, koja je upravo centar gravitacije ovog tela.

Modul gravitacije se određuje pomoću zakona univerzalne gravitacije i određuje se formulom:

F t = mg, (2.7)

gdje je g ubrzanje slobodnog pada tijela (g=9,8 m/s 2 ≈10 m/s 2).

Kako se smjer ubrzanja slobodnog pada g poklapa sa smjerom gravitacije F t, posljednju jednakost možemo prepisati u obliku

Iz (2.7) proizilazi da, to jest, odnos sile koja djeluje na tijelo mase m u bilo kojoj tački polja i mase tijela određuje ubrzanje gravitacije u datoj tački polja.

Za tačke koje se nalaze na visini h od Zemljine površine, ubrzanje slobodnog pada tijela je jednako:

(2.8)

gdje je RZ polumjer Zemlje; MZ - masa Zemlje; h je udaljenost od centra gravitacije tijela do površine Zemlje.

Iz ove formule slijedi da,

Prvo, ubrzanje slobodnog pada ne zavisi od mase i veličine tela i,

Drugo, sa povećanjem visine iznad Zemlje, ubrzanje slobodnog pada opada. Na primjer, na visini od 297 km ispada da nije 9,8 m/s 2, već 9 m/s 2.

Smanjenje ubrzanja gravitacije znači da se sila gravitacije također smanjuje kako se visina iznad Zemlje povećava. Što je tijelo dalje od Zemlje, to ga slabije privlači.

Iz formule (1.73) jasno je da g zavisi od poluprečnika Zemlje R z.

Ali zbog spljoštenosti Zemlje, ima različito značenje na različitim mjestima: smanjuje se kako se krećete od ekvatora do pola. Na ekvatoru je, na primjer, jednaka 9,780 m/s 2, a na polu - 9,832 m/s 2. Osim toga, lokalne vrijednosti g mogu se razlikovati od njihovih prosječnih g av vrijednosti zbog heterogene strukture zemljine kore i podzemlja, planinskih lanaca i depresija, kao i mineralnih naslaga. Razlika između vrijednosti g i g cf se naziva gravitacione anomalije:

Pozitivne anomalije Δg >0 često ukazuju na ležišta metalne rude, a negativne anomalije Δg<0– о залежах лёгких полезных ископаемых, например нефти и газа.

Metoda određivanja mineralnih naslaga preciznim mjerenjem ubrzanja gravitacije u praksi se široko koristi i naziva se gravimetrijsko izviđanje.

Zanimljiva karakteristika gravitacionog polja koju elektromagnetna polja nemaju je njegova sveprožimajuća sposobnost. Ako se možete zaštititi od električnih i magnetnih polja pomoću posebnih metalnih ekrana, onda vas ništa ne može zaštititi od gravitacionog polja: ono prodire kroz sve materijale.

Gravitacija je najmoćnija sila u svemiru, jedan od četiri osnovna principa svemira, koji određuju njegovu strukturu. Nekada su zahvaljujući njemu nastale planete, zvijezde i cijele galaksije. Danas drži Zemlju u orbiti na njenom beskrajnom putovanju oko Sunca.

Privlačnost je takođe od velike važnosti za svakodnevni život osobe. Zahvaljujući ovoj nevidljivoj sili, okeani našeg svijeta pulsiraju, rijeke teku, a kapi kiše padaju na zemlju. Od djetinjstva osjećamo težinu svog tijela i okolnih predmeta. Uticaj gravitacije na naše ekonomske aktivnosti je takođe ogroman.

Prvu teoriju gravitacije stvorio je Isak Njutn krajem 17. veka. Njegov Zakon univerzalne gravitacije opisuje ovu interakciju u okviru klasične mehanike. Ovaj fenomen je Ajnštajn šire opisao u svojoj opštoj teoriji relativnosti, koja je objavljena početkom prošlog veka. Procese koji se odvijaju sa silom gravitacije na nivou elementarnih čestica trebalo bi objasniti kvantnom teorijom gravitacije, ali ona tek treba da se stvori.

Danas znamo mnogo više o prirodi gravitacije nego u Njutnovo vreme, ali uprkos vekovima proučavanja, ona i dalje ostaje pravi kamen spoticanja modernoj fizici. Postoji mnogo praznih tačaka u postojećoj teoriji gravitacije, a mi još uvek ne razumemo tačno šta je generiše i kako se ta interakcija prenosi. I, naravno, veoma smo daleko od mogućnosti da kontrolišemo silu gravitacije, tako da će antigravitacija ili levitacija postojati još dugo samo na stranicama naučnofantastičnih romana.

Šta je Njutnu palo na glavu?

Ljudi su se oduvijek pitali o prirodi sile koja privlači predmete na zemlju, ali tek je u 17. vijeku Isak Njutn uspeo da podigne veo misterije. Osnovu za njegov proboj postavili su radovi Keplera i Galilea, briljantnih naučnika koji su proučavali kretanje nebeskih tijela.

Čak i vek i po pre Njutnovog zakona univerzalne gravitacije, poljski astronom Kopernik je verovao da je privlačnost „... ništa drugo do prirodna želja kojom je otac Univerzuma obdario sve čestice, naime da se ujedine u jednu zajedničku celinu, formirajući sferna tijela.” Descartes je privlačnost smatrao posljedicom poremećaja u svjetskom etru. Grčki filozof i naučnik Aristotel bio je siguran da masa utiče na brzinu pada tela. I tek je Galileo Galilei krajem 16. stoljeća dokazao da to nije istina: ako nema otpora zraka, svi objekti jednako ubrzavaju.

Suprotno popularnoj legendi o glavi i jabuci, Newtonu je trebalo više od dvadeset godina da shvati prirodu gravitacije. Njegov zakon gravitacije jedno je od najznačajnijih naučnih otkrića svih vremena. On je univerzalan i omogućava vam da izračunate putanje nebeskih tijela i precizno opišete ponašanje objekata oko nas. Klasična teorija gravitacije postavila je temelje nebeske mehanike. Njutnova tri zakona dala su naučnicima priliku da otkriju nove planete bukvalno „na vrhu svog pera“ na kraju, zahvaljujući njima, čovek je uspeo da savlada Zemljinu gravitaciju i odleti u svemir. Oni su donijeli strogu naučnu osnovu filozofskom konceptu materijalnog jedinstva svemira, u kojem su sve prirodne pojave međusobno povezane i vođene općim fizičkim pravilima.

Newton ne samo da je objavio formulu koja omogućava da se izračuna sila koja privlači tijela jedno prema drugom, već je stvorio potpuni model, koji je uključivao i matematičku analizu. Ovi teorijski zaključci su više puta potvrđeni u praksi, uključujući korištenje najsavremenijih metoda.

U Njutnovskoj teoriji, bilo koji materijalni objekat stvara privlačno polje, koje se naziva gravitaciono. Štaviše, sila je proporcionalna masi oba tijela i obrnuto proporcionalna udaljenosti između njih:

F = (G m1 m2)/r2

G je gravitaciona konstanta, koja je jednaka 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Henry Cavendish je prvi to izračunao 1798.

U svakodnevnom životu i u primijenjenim disciplinama o sili kojom zemlja privlači tijelo govori se kao o njegovoj težini. Privlačnost između bilo koja dva materijalna objekta u Univerzumu je ono što je gravitacija jednostavnim riječima.

Sila gravitacije je najslabija od četiri fundamentalne interakcije fizike, ali je zbog svojih svojstava sposobna regulirati kretanje zvjezdanih sistema i galaksija:

• Privlačenje djeluje na bilo kojoj udaljenosti, to je glavna razlika između gravitacije i jakih i slabih nuklearnih interakcija. Kako se udaljenost povećava, njen efekat se smanjuje, ali nikada ne postaje jednak nuli, pa možemo reći da čak i dva atoma koja se nalaze na različitim krajevima galaksije imaju međusobni utjecaj. Samo je vrlo mali;
• Gravitacija je univerzalna. Polje privlačnosti svojstveno je svakom materijalnom tijelu. Naučnici još nisu otkrili objekat na našoj planeti ili u svemiru koji ne bi učestvovao u ovoj vrsti interakcije, tako da je uloga gravitacije u životu Univerzuma ogromna. Ovo razlikuje gravitaciju od elektromagnetne interakcije, čiji je utjecaj na kosmičke procese minimalan, budući da je u prirodi većina tijela električno neutralna. Gravitacijske sile ne mogu biti ograničene ili zaštićene;
• Gravitacija ne djeluje samo na materiju, već i na energiju. Za njega hemijski sastav objekata nije bitan samo njihova masa.

Koristeći Newtonovu formulu, sila privlačenja može se lako izračunati. Na primjer, gravitacija na Mjesecu je nekoliko puta manja od one na Zemlji, jer naš satelit ima relativno malu masu. Ali dovoljno je formirati pravilne oseke i oseke u Svjetskom okeanu. Na Zemlji, ubrzanje zbog gravitacije je približno 9,81 m/s2. Štaviše, na polovima je nešto veća nego na ekvatoru.

Uprkos ogromnoj važnosti za dalji razvoj nauke, Njutnovi zakoni su imali niz slabosti koje su proganjale istraživače. Nije bilo jasno kako gravitacija djeluje kroz apsolutno prazan prostor na ogromnim udaljenostima, i to neshvatljivom brzinom. Osim toga, postepeno su se počeli gomilati podaci koji su bili u suprotnosti s Newtonovim zakonima: na primjer, gravitacijski paradoks ili pomicanje perihela Merkura. Postalo je očigledno da teorija univerzalne gravitacije zahtijeva poboljšanje. Ova čast pripala je briljantnom njemačkom fizičaru Albertu Ajnštajnu.

Privlačnost i teorija relativnosti

Njutnovo odbijanje da raspravlja o prirodi gravitacije („Ne izmišljam nikakve hipoteze“) bila je očigledna slabost njegovog koncepta. Nije iznenađujuće da su se mnoge teorije gravitacije pojavile u narednim godinama.

Većina njih pripadala je takozvanim hidrodinamičkim modelima, koji su pokušavali dokazati pojavu gravitacije mehaničkom interakcijom materijalnih objekata s nekom međusupstancom koja ima određena svojstva. Istraživači su to nazivali drugačije: "vakum", "etar", "gravitonski tok" itd. U ovom slučaju, sila privlačenja između tijela nastala je kao rezultat promjena u ovoj tvari, kada su je apsorbirali predmeti ili zaštićeni tokovi. U stvarnosti, sve takve teorije imale su jedan ozbiljan nedostatak: prilično precizno predviđajući ovisnost gravitacijske sile o udaljenosti, trebalo je da dovedu do usporavanja tijela koja su se kretala u odnosu na "eter" ili "gravitonski tok".

Ajnštajn je ovom pitanju pristupio iz drugačijeg ugla. U njegovoj općoj teoriji relativnosti (GTR), gravitacija se ne posmatra kao interakcija sila, već kao svojstvo samog prostora-vremena. Svaki predmet koji ima masu uzrokuje savijanje, što uzrokuje privlačnost. U ovom slučaju, gravitacija je geometrijski efekat koji se razmatra u okviru neeuklidske geometrije.

Jednostavno rečeno, prostorno-vremenski kontinuum utiče na materiju, uzrokujući njeno kretanje. A ona, zauzvrat, utiče na prostor, „kazujući“ mu kako da se savije.

U mikrokosmosu djeluju i privlačne sile, ali je na nivou elementarnih čestica njihov utjecaj, u poređenju sa elektrostatičkom interakcijom, zanemarljiv. Fizičari smatraju da gravitaciona interakcija nije bila inferiorna u odnosu na druge u prvim trenucima (10 -43 sekunde) nakon Velikog praska.

Trenutno je koncept gravitacije predložen u općoj teoriji relativnosti glavna radna hipoteza prihvaćena od strane većine naučne zajednice i potvrđena rezultatima brojnih eksperimenata.

Ajnštajn je u svom radu predvideo neverovatne efekte gravitacionih sila, od kojih je većina već potvrđena. Na primjer, sposobnost masivnih tijela da savijaju svjetlosne zrake i čak usporavaju protok vremena. Potonji fenomen se mora uzeti u obzir pri radu globalnih satelitskih navigacijskih sistema kao što su GLONASS i GPS, inače bi nakon nekoliko dana njihova greška iznosila desetine kilometara.

Osim toga, posljedica Ajnštajnove teorije su takozvani suptilni efekti gravitacije, kao što su gravimagnetno polje i otpor inercijalnih referentnih okvira (također poznat kao Lens-Thiringov efekat). Ove manifestacije gravitacije su toliko slabe da se dugo nisu mogle otkriti. Tek 2005. godine, zahvaljujući jedinstvenoj NASA-inoj misiji Gravity Probe B, potvrđen je efekat Lense-Thirringa.

Gravitacijsko zračenje ili najosnovnije otkriće posljednjih godina

Gravitacijski valovi su vibracije geometrijske strukture prostor-vreme koje putuju brzinom svjetlosti. Postojanje ovog fenomena je predvidio i Ajnštajn u Općoj relativnosti, ali zbog slabosti gravitacione sile, njegova veličina je veoma mala, pa se dugo nije mogla detektovati. Samo indirektni dokazi potvrđuju postojanje radijacije.

Slične valove stvaraju bilo koji materijalni objekti koji se kreću asimetričnim ubrzanjem. Naučnici ih opisuju kao "mrebanje u prostor-vremenu". Najmoćniji izvori takvog zračenja su galaksije koje se sudaraju i sistemi u kolapsu koji se sastoje od dva objekta. Tipičan primjer potonjeg slučaja je spajanje crnih rupa ili neutronskih zvijezda. Tokom takvih procesa, gravitaciono zračenje može prenijeti više od 50% ukupne mase sistema.

Gravitacijske talase su prvi put otkrile dvije LIGO opservatorije 2015. godine. Gotovo odmah, ovaj događaj je dobio status najvećeg otkrića u fizici posljednjih decenija. 2017. godine dobio je Nobelovu nagradu. Nakon toga, naučnici su uspjeli još nekoliko puta otkriti gravitacijsko zračenje.

Još 70-ih godina prošlog stoljeća - mnogo prije eksperimentalne potvrde - naučnici su predložili korištenje gravitacionog zračenja za komunikaciju na daljinu. Njegova nesumnjiva prednost je njegova visoka sposobnost prolaska kroz bilo koju supstancu bez apsorpcije. Ali trenutno je to teško moguće, jer postoje ogromne poteškoće u stvaranju i primanju ovih talasa. I još uvijek nemamo dovoljno pravog znanja o prirodi gravitacije.

Danas u različitim zemljama svijeta radi nekoliko instalacija sličnih LIGO-u i grade se nove. Vjerovatno ćemo u bliskoj budućnosti naučiti više o gravitacijskom zračenju.

Alternativne teorije univerzalne gravitacije i razlozi njihovog nastanka

U ovom trenutku, dominantan koncept gravitacije je opšta teorija relativnosti. Čitav postojeći niz eksperimentalnih podataka i zapažanja je u skladu s tim. Istovremeno, ima veliki broj očiglednih slabosti i kontroverznih pitanja, pa pokušaji stvaranja novih modela koji objašnjavaju prirodu gravitacije ne prestaju.

Sve do sada razvijene teorije univerzalne gravitacije mogu se podijeliti u nekoliko glavnih grupa:

• standard;
• alternativa;
• kvantna;
• jedinstvena teorija polja.

Pokušaji da se stvori novi koncept univerzalne gravitacije napravljeni su još u 19. veku. Razni autori su u njega uključivali etar ili korpuskularnu teoriju svjetlosti. Ali pojava Opće teorije relativnosti stavila je tačku na ova istraživanja. Nakon njegovog objavljivanja, cilj naučnika se promijenio - sada su njihovi napori bili usmjereni na poboljšanje Einsteinovog modela, uključujući nove prirodne pojave u njemu: okretanje čestica, širenje svemira itd.

Do ranih 1980-ih, fizičari su eksperimentalno odbacili sve koncepte osim onih koji su uključivali opštu relativnost kao sastavni dio. U to vrijeme u modu su ušle "teorije struna", koje su izgledale vrlo obećavajuće. Ali ove hipoteze nikada nisu eksperimentalno potvrđene. Tokom proteklih decenija, nauka je dostigla značajne visine i akumulirala ogromnu količinu empirijskih podataka. Danas su pokušaji stvaranja alternativnih teorija gravitacije inspirisani uglavnom kosmološkim istraživanjima vezanim za koncepte kao što su “tamna materija”, “inflacija”, “tamna energija”.

Jedan od glavnih zadataka moderne fizike je ujedinjenje dva fundamentalna pravca: kvantne teorije i opšte teorije relativnosti. Naučnici pokušavaju povezati privlačnost s drugim vrstama interakcija, stvarajući tako “teoriju svega”. Upravo to radi kvantna gravitacija – grana fizike koja pokušava dati kvantni opis gravitacijskih interakcija. Izdanak ovog smjera je teorija gravitacije petlje.

Unatoč aktivnim i višegodišnjim naporima, ovaj cilj još uvijek nije ostvaren. I nije čak ni u složenosti ovog problema: samo se kvantna teorija i opšta relativnost zasnivaju na potpuno različitim paradigmama. Kvantna mehanika se bavi fizičkim sistemima koji rade u pozadini običnog prostor-vremena. A u teoriji relativnosti sam prostor-vrijeme je dinamička komponenta, ovisno o parametrima klasičnih sistema koji se nalaze u njemu.

Uz naučne hipoteze o univerzalnoj gravitaciji, postoje i teorije koje su veoma daleko od moderne fizike. Nažalost, posljednjih godina ovakvi “opusi” jednostavno su preplavili internet i police knjižara. Neki autori ovakvih dela generalno obaveštavaju čitaoca da gravitacija ne postoji, a zakoni Njutna i Ajnštajna su fikcije i varke.

Primjer su radovi “naučnika” Nikolaja Levašova koji tvrde da Njutn nije otkrio zakon univerzalne gravitacije, a gravitacionu silu u Sunčevom sistemu imaju samo planete i naš satelit Mesec. Ovaj „ruski naučnik“ daje prilično čudne dokaze. Jedan od njih je let američke sonde NEAR Shoemaker do asteroida Eros, koji se dogodio 2000. godine. Levashov smatra nedostatak privlačnosti između sonde i nebeskog tijela dokazom lažnosti Newtonovih radova i zavjerom fizičara koji skrivaju istinu o gravitaciji od ljudi.

U stvari, letjelica je uspješno završila svoju misiju: ​​prvo je ušla u orbitu asteroida, a zatim je izvršila meko sletanje na njegovu površinu.

Umjetna gravitacija i zašto je potrebna

Postoje dva koncepta povezana s gravitacijom koja su, uprkos svom trenutnom teorijskom statusu, dobro poznata široj javnosti. To su antigravitacija i umjetna gravitacija.

Antigravitacija je proces suprotstavljanja sili privlačenja, koji je može značajno smanjiti ili čak zamijeniti odbojnošću. Ovladavanje takvom tehnologijom dovelo bi do prave revolucije u transportu, avijaciji, istraživanju svemira i radikalno bi promijenilo cijeli naš život. Ali trenutno mogućnost antigravitacije nema čak ni teorijsku potvrdu. Štaviše, na osnovu opšte teorije relativnosti, takav fenomen uopšte nije izvodljiv, jer u našem svemiru ne može postojati negativna masa. Moguće je da ćemo u budućnosti naučiti više o gravitaciji i naučiti da pravimo avione na osnovu ovog principa.

Veštačka gravitacija je čovekova promena postojeće sile gravitacije. Danas nam takva tehnologija zapravo nije potrebna, ali situacija će se definitivno promijeniti nakon početka dugoročnih svemirskih putovanja. A poenta je u našoj fiziologiji. Ljudsko tijelo, “naviknuto” milionima godina evolucije na stalnu gravitaciju Zemlje, izuzetno negativno doživljava efekte smanjene gravitacije. Dug boravak čak i u uslovima lunarne gravitacije (šest puta slabije od Zemljine) može dovesti do strašnih posljedica. Iluzija privlačnosti može se stvoriti korištenjem drugih fizičkih sila, kao što je inercija. Međutim, takve su opcije složene i skupe. U ovom trenutku, umjetna gravitacija nema čak ni teoretsko opravdanje, očito je da je njena moguća praktična implementacija stvar vrlo daleke budućnosti.

Gravitacija je koncept poznat svima još od škole. Čini se da su naučnici trebali temeljno istražiti ovaj fenomen! Ali gravitacija ostaje najdublja misterija za modernu nauku. I ovo se može nazvati odličnim primjerom koliko je ograničeno ljudsko znanje o našem ogromnom i divnom svijetu.

Ako imate bilo kakvih pitanja, ostavite ih u komentarima ispod članka. Mi ili naši posjetioci rado ćemo im odgovoriti