중력은 동일합니다. 중력: 계산을 위해 공식을 적용하는 개념 및 특징. 만유인력의 법칙에 대한 설명

우주의 모든 물체의 상호 작용 특성을 나타내며 서로에 대한 상호 매력으로 나타납니다. 중력의, 그리고 만유인력 현상 그 자체 중력 .

중력 상호작용이라는 특수한 유형의 물질을 통해 수행됩니다. 중력장.

중력(중력)신체의 상호 인력으로 인해 발생하며 상호 작용하는 지점을 연결하는 선을 따라 이동합니다.

뉴턴은 1666년 그가 겨우 24세였을 때 중력이라는 표현을 받았습니다.

중력의 법칙: 두 물체는 물체의 질량의 곱에 정비례하고 두 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 서로 끌어당깁니다.

몸체의 크기가 몸체 사이의 거리에 비해 무시할 수 있는 경우에만 법칙이 유효합니다. 또한 이 공식은 구형 몸체, 두 몸체(하나는 공이고 다른 하나는 물질 지점)에 대한 만유 중력을 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

비례계수 G = 6.68·10 -11 이라고 합니다. 중력 상수.

물리적 의미중력상수는 무게가 1kg인 두 물체가 서로 1m 떨어진 곳에 끌어당기는 힘과 수치적으로 동일하다는 것입니다.

중력

지구가 근처의 물체를 끌어당기는 힘을 중력 이고, 지구의 중력장은 다음과 같다. 중력장 .

중력은 아래쪽, 즉 지구 중심을 향합니다. 신체에서는 다음과 같은 지점을 통과합니다. 무게중심. 대칭중심을 갖는 균질체(공, 직사각형 또는 원형 판, 원통 등)의 무게중심은 이 중심에 위치한다. 또한 주어진 몸체의 어떤 지점(예: 링 근처)과도 일치하지 않을 수 있습니다.

일반적으로 불규칙한 모양의 몸체의 무게 중심을 찾아야 할 경우 다음 패턴에서 진행해야 합니다. 몸체가 몸체의 여러 지점에 순차적으로 부착된 실에 매달린 경우 방향은 다음과 같습니다. 실로 표시된 부분은 한 지점에서 교차하게 되는데, 그 지점이 바로 이 몸체의 중력의 중심입니다.

중력 계수는 만유 인력의 법칙을 사용하여 결정되며 다음 공식에 의해 결정됩니다.

Ft = mg, (2.7)

여기서 g는 물체의 자유 낙하 가속도입니다(g=9.8m/s 2 ≒10m/s 2).

자유 낙하의 가속도 방향 g는 중력 방향 F t와 일치하므로 마지막 평등을 다음 형식으로 다시 쓸 수 있습니다.

(2.7)로부터, 즉 필드의 임의 지점에서 질량이 m인 물체에 작용하는 힘과 물체의 질량의 비율이 필드의 특정 지점에서 중력 가속도를 결정한다는 결론이 나옵니다.

지구 표면에서 높이 h에 위치한 지점의 경우 신체의 자유 낙하 가속도는 다음과 같습니다.

(2.8)

여기서 RZ는 지구의 반경입니다. MZ - 지구의 질량; h는 신체의 무게 중심에서 지구 표면까지의 거리입니다.

이 공식으로부터 다음과 같은 결과가 나옵니다.

첫째로, 자유낙하의 가속도는 물체의 질량과 크기에 의존하지 않으며,

둘째, 지구 위의 높이가 증가함에 따라 자유 낙하 가속도는 감소합니다. 예를 들어, 고도 297km에서는 9.8m/s 2 가 아니라 9m/s 2 로 나타납니다.

중력 가속도가 감소한다는 것은 지구 위의 높이가 증가함에 따라 중력도 감소한다는 것을 의미합니다. 물체가 지구에서 멀어질수록 더 약하게 끌어당깁니다.

공식(1.73)에 따르면 g는 지구의 반경 Rz에 따라 달라집니다.

그러나 지구의 편평도로 인해 위치에 따라 다른 의미를 갖습니다. 적도에서 극으로 이동할 때 감소합니다. 예를 들어 적도에서는 9.780m/s 2이고 극에서는 9.832m/s 2입니다. 또한, 지역 g 값은 지각과 하층토, 산맥과 함몰지, 광물 매장지의 이질적인 구조로 인해 평균 g av 값과 다를 수 있습니다. g와 g cf 값의 차이를 다음과 같이 부릅니다. 중력 이상:

양의 이상 Δg >0은 종종 금속 광석 퇴적물을 나타내고 음의 이상 Δg는 종종 나타냅니다.<0– о залежах лёгких полезных ископаемых, например нефти и газа.

중력가속도를 정확하게 측정하여 광물 퇴적물을 판별하는 방법은 실무적으로 널리 사용되고 있으며, 중량 정찰.

전자기장이 가지고 있지 않은 중력장의 흥미로운 특징은 모든 곳에 퍼져있는 능력입니다. 특수 금속 스크린을 사용하여 전기장과 자기장으로부터 자신을 보호할 수 있다면 중력장으로부터 아무것도 보호할 수 없습니다. 중력장은 모든 물질을 관통합니다.

중력은 우주에서 가장 강력한 힘으로, 우주의 구조를 결정하는 우주의 4가지 기본 원리 중 하나입니다. 옛날 옛적에 그 덕분에 행성, 별, 은하계 전체가 생겼습니다. 오늘날 그것은 태양 주위를 끝없는 여행으로 지구를 궤도에 유지합니다.

매력은 사람의 일상 생활에도 매우 중요합니다. 이 보이지 않는 힘 덕분에 우리 세계의 바다는 맥동하고 강이 흐르고 빗방울이 땅에 떨어집니다. 우리는 어릴 때부터 몸과 주변 사물의 무게를 느낍니다. 중력이 우리 경제 활동에 미치는 영향도 엄청납니다.

중력에 관한 최초의 이론은 17세기 말 아이작 뉴턴에 의해 만들어졌습니다. 그의 만유 인력 법칙은 고전 역학의 틀 내에서 이러한 상호 작용을 설명합니다. 이 현상은 아인슈타인이 지난 세기 초에 발표한 일반 상대성 이론에서 더 광범위하게 설명되었습니다. 소립자 수준에서 중력으로 일어나는 과정은 양자중력이론으로 설명해야 하는데 아직까지 만들어지지 않았다.

오늘날 우리는 뉴턴 시대보다 중력의 본질에 대해 훨씬 더 많이 알고 있지만 수세기에 걸친 연구에도 불구하고 중력은 여전히 ​​현대 물리학의 진정한 걸림돌로 남아 있습니다. 기존 중력 이론에는 공백이 많으며, 무엇이 중력을 생성하고 이러한 상호 작용이 어떻게 전달되는지 정확히 이해하지 못합니다. 그리고 물론 우리는 중력을 제어할 수 있는 능력과는 거리가 매우 멀기 때문에 반중력이나 공중부양은 공상과학 소설의 페이지에서만 오랫동안 존재할 것입니다.

뉴턴의 머리에 무엇이 떨어졌습니까?

사람들은 물체를 지구로 끌어당기는 힘의 본질에 대해 항상 궁금해했지만, 아이작 뉴턴이 신비의 베일을 걷어낸 것은 17세기에 이르러서였습니다. 그 돌파구의 기초는 천체의 움직임을 연구한 뛰어난 과학자들인 케플러와 갈릴레오의 연구에 의해 마련되었습니다.

뉴턴의 만유인력 법칙이 나오기 150년 전에도 폴란드 천문학자 코페르니쿠스는 매력이란 “... 우주의 아버지가 모든 입자에게 부여한 자연스러운 욕망, 즉 하나의 공통된 전체로 통합하려는 자연스러운 욕망에 지나지 않습니다. 구형 몸체를 형성합니다.” 데카르트는 매력을 에테르 세계의 교란의 결과로 간주했습니다. 그리스 철학자이자 과학자인 아리스토텔레스는 질량이 물체가 떨어지는 속도에 영향을 미친다고 확신했습니다. 그리고 16세기 말 갈릴레오 갈릴레이만이 이것이 사실이 아님을 증명했습니다. 공기 저항이 없으면 모든 물체는 똑같이 가속됩니다.

머리와 사과에 관한 대중적인 전설과는 달리, 뉴턴은 중력의 본질을 이해하는 데 20년 이상이 걸렸습니다. 그의 중력 법칙은 역사상 가장 중요한 과학적 발견 중 하나입니다. 이는 보편적이며 천체의 궤적을 계산하고 우리 주변 물체의 동작을 정확하게 설명할 수 있습니다. 고전적인 중력 이론은 천체 역학의 기초를 마련했습니다. 뉴턴의 세 가지 법칙은 과학자들에게 문자 그대로 "펜 끝에서" 새로운 행성을 발견할 수 있는 기회를 제공했습니다. 결국 그 덕분에 인간은 지구의 중력을 극복하고 우주로 날아갈 수 있었습니다. 그들은 모든 자연 현상이 상호 연결되고 일반적인 물리적 규칙에 의해 지배되는 우주의 물질적 통일성이라는 철학적 개념에 엄격한 과학적 기반을 가져 왔습니다.

뉴턴은 물체를 서로 끌어당기는 힘을 계산할 수 있는 공식을 발표했을 뿐만 아니라 수학적 분석도 포함된 완전한 모델을 만들었습니다. 이러한 이론적 결론은 가장 현대적인 방법을 사용하는 것을 포함하여 실제로 반복적으로 확인되었습니다.

뉴턴 이론에서 모든 물질적 물체는 중력이라고 불리는 매력적인 장을 생성합니다. 더욱이 힘은 두 물체의 질량에 비례하고 두 물체 사이의 거리에 반비례합니다.

F = (G·m1·m2)/r2

G는 중력 상수로, 6.67 × 10−11 m³/(kg s²)과 같습니다. 1798년 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)가 처음으로 이를 계산했습니다.

일상 생활과 응용 분야에서 지구가 신체를 끌어당기는 힘을 무게라고 합니다. 우주에 있는 두 물질 사이의 인력은 간단히 말해서 중력입니다.

중력은 물리학의 네 가지 기본 상호작용 중 가장 약하지만 그 특성으로 인해 항성계와 은하계의 움직임을 조절할 수 있습니다.

• 매력은 어떤 거리에서도 작동하며 이것이 중력과 강하고 약한 핵 상호 작용의 주요 차이점입니다. 거리가 멀어질수록 그 효과는 감소하지만 절대 0이 되지 않으므로 은하계의 서로 다른 끝에 위치한 두 원자라도 상호 영향을 미친다고 할 수 있습니다. 아주 작습니다.
• 중력은 보편적입니다. 매력의 장은 모든 물질적 신체에 내재되어 있습니다. 과학자들은 아직 우리 행성이나 우주에서 이러한 유형의 상호 작용에 참여하지 않는 물체를 발견하지 못했기 때문에 우주의 삶에서 중력의 역할은 엄청납니다. 이것은 중력과 전자기 상호작용을 구별하며, 우주 과정에 미치는 영향은 거의 없습니다. 왜냐하면 자연적으로 대부분의 몸체는 전기적으로 중성이기 때문입니다. 중력은 제한되거나 보호될 수 없습니다.
• 중력은 물질뿐만 아니라 에너지에도 작용합니다. 그에게는 물체의 화학적 구성이 중요하지 않으며 단지 질량이 중요할 뿐입니다.

뉴턴의 공식을 사용하면 인력의 힘을 쉽게 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 달의 중력은 지구에 있는 것보다 몇 배 더 작습니다. 왜냐하면 위성의 질량이 상대적으로 작기 때문입니다. 그러나 그것은 세계 해양에서 규칙적인 썰물과 흐름을 형성하기에 충분합니다. 지구상에서 중력으로 인한 가속도는 약 9.81m/s2입니다. 또한 극에서는 적도보다 약간 더 큽니다.

과학의 발전을 위한 엄청난 중요성에도 불구하고 뉴턴의 법칙에는 연구자들을 괴롭히는 여러 가지 약점이 있었습니다. 광대한 거리에 걸쳐 절대적으로 빈 공간을 통해 중력이 이해할 수 없는 속도로 어떻게 작용하는지 명확하지 않았습니다. 또한 중력 역설이나 수성의 근일점 변위와 같은 뉴턴의 법칙과 모순되는 데이터가 점차 축적되기 시작했습니다. 만유인력 이론에 개선이 필요하다는 것이 분명해졌습니다. 이 영예는 독일의 뛰어난 물리학자 알베르트 아인슈타인에게 돌아갔습니다.

매력과 상대성 이론

뉴턴이 중력의 본질에 대한 논의를 거부한 것(“나는 가설을 세우지 않았습니다”)은 그의 개념의 명백한 약점이었습니다. 그 후 몇 년 동안 중력에 관한 많은 이론이 등장한 것은 놀라운 일이 아닙니다.

그들 대부분은 물질 물체와 특정 특성을 가진 일부 중간 물질의 기계적 상호 작용을 통해 중력의 발생을 입증하려는 소위 유체 역학 모델에 속했습니다. 연구자들은 이를 "진공", "에테르", "중력 흐름" 등으로 다르게 불렀습니다. 이 경우 물체에 흡수되거나 흐름이 차폐될 때 이 물질의 변화로 인해 물체 사이의 인력이 발생했습니다. 실제로 이러한 모든 이론에는 한 가지 심각한 단점이 있었습니다. 거리에 대한 중력의 의존성을 매우 정확하게 예측하면 "에테르" 또는 "중력자 흐름"에 상대적으로 움직이는 물체의 감속이 발생해야 했습니다.

아인슈타인은 이 문제에 대해 다른 각도에서 접근했습니다. 그의 일반 상대성 이론(GTR)에서 중력은 힘의 상호작용이 아니라 시공간 자체의 속성으로 간주됩니다. 질량이 있는 모든 물체는 휘어지게 되어 인력을 유발합니다. 이 경우 중력은 비유클리드 기하학의 틀 내에서 고려되는 기하학적 효과입니다.

간단히 말해서, 시공간 연속체는 물질에 영향을 주어 물질의 움직임을 유발합니다. 그리고 그녀는 공간에 영향을 미치며 공간에 구부리는 방법을 "알려줍니다".

인력은 소우주에도 작용하지만, 기본 입자 수준에서는 정전기적 상호작용에 비해 그 영향이 무시할 수 있습니다. 물리학자들은 빅뱅 이후 첫 순간(10~43초)에 중력 상호작용이 다른 것보다 열등하지 않았다고 믿습니다.

현재 일반상대성이론에서 제안하는 중력의 개념은 과학계의 대다수가 받아들이고 수많은 실험의 결과로 확인되는 주요 작업가설이다.

아인슈타인은 그의 연구에서 중력의 놀라운 효과를 예견했으며, 그 중 대부분은 이미 확인되었습니다. 예를 들어, 광선을 구부리고 시간의 흐름을 늦추는 거대한 물체의 능력이 있습니다. GLONASS 및 GPS와 같은 글로벌 위성 내비게이션 시스템을 작동할 때 후자 현상을 고려해야 합니다. 그렇지 않으면 며칠 후에 오류가 수십 킬로미터가 됩니다.

또한, 아인슈타인 이론의 결과는 중력장 및 관성 기준계의 항력(Lense-Thirring 효과라고도 함)과 같은 중력의 미묘한 효과입니다. 이러한 중력의 발현은 너무 약해서 오랫동안 감지할 수 없었습니다. 2005년에야 NASA의 독특한 임무 Gravity Probe B 덕분에 Lense-Thirring 효과가 확인되었습니다.

중력 복사 또는 최근 몇 년간의 가장 근본적인 발견

중력파는 빛의 속도로 이동하는 기하학적 시공간 구조의 진동입니다. 이 현상의 존재는 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서도 예측했지만, 중력이 약하기 때문에 그 크기가 매우 작아 오랫동안 감지할 수 없었습니다. 간접적인 증거만이 방사선의 존재를 뒷받침했습니다.

비대칭 가속도로 움직이는 물질 물체에 의해 유사한 파동이 생성됩니다. 과학자들은 이를 “시공간에서의 파문”이라고 묘사합니다. 그러한 방사선의 가장 강력한 원천은 충돌하는 은하계와 두 개의 물체로 구성된 붕괴하는 시스템입니다. 후자의 경우의 전형적인 예는 블랙홀이나 중성자별의 합병이다. 이러한 과정에서 중력 복사는 시스템 전체 질량의 50% 이상을 전달할 수 있습니다.

중력파는 2015년 LIGO 관측소 두 곳에서 처음 발견되었습니다. 거의 즉시, 이 사건은 최근 수십 년 동안 물리학에서 가장 큰 발견의 지위를 받았습니다. 2017년에 그는 노벨상을 수상했습니다. 그 후 과학자들은 중력 복사를 여러 번 더 감지했습니다.

실험적으로 확인되기 오래 전인 지난 세기 70년대에 과학자들은 장거리 통신을 위해 중력 방사선을 사용할 것을 제안했습니다. 의심할 여지 없는 장점은 흡수되지 않고 어떤 물질도 통과할 수 있는 높은 능력입니다. 그러나 현재 이러한 파동을 생성하고 수신하는 데 엄청난 어려움이 있기 때문에 이는 거의 불가능합니다. 그리고 우리는 중력의 본질에 관한 실제 지식이 아직 충분하지 않습니다.

오늘날 LIGO와 유사한 여러 시설이 세계 여러 나라에서 운영되고 있으며 새로운 시설이 건설되고 있습니다. 가까운 장래에 중력 복사에 대해 더 많이 배우게 될 것 같습니다.

보편적 중력에 대한 대안 이론과 그 창조 이유

현재 중력의 지배적인 개념은 일반상대성이론이다. 기존의 실험 데이터 및 관찰 내용 전체가 이와 일치합니다. 동시에 명백한 약점과 논란의 여지가 있는 문제가 많기 때문에 중력의 본질을 설명하는 새로운 모델을 만들려는 시도는 멈추지 않습니다.

현재까지 개발된 모든 만유인력 이론은 몇 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다.

• 기준;
• 대안;
• 양자;
• 통일장 이론.

우주 중력에 대한 새로운 개념을 창조하려는 시도는 19세기에 이루어졌습니다. 다양한 저자들이 에테르 또는 빛의 미립자 이론을 여기에 포함시켰습니다. 그러나 일반 상대성 이론의 출현으로 이러한 연구는 중단되었습니다. 출판 후 과학자들의 목표는 바뀌었습니다. 이제 그들의 노력은 입자의 회전, 우주의 팽창 등 새로운 자연 현상을 포함하여 아인슈타인의 모델을 개선하는 것을 목표로 했습니다.

1980년대 초까지 물리학자들은 일반 상대성이론을 필수적인 부분으로 포함하는 개념을 제외한 모든 개념을 실험적으로 거부했습니다. 이때 매우 유망해 보이는 "끈 이론"이 유행했습니다. 그러나 이러한 가설은 실험적으로 확인되지 않았습니다. 지난 수십 년 동안 과학은 상당한 수준에 도달했으며 엄청난 양의 경험적 데이터를 축적했습니다. 오늘날 대체 중력 이론을 만들려는 시도는 주로 "암흑 물질", "인플레이션", "암흑 에너지"와 같은 개념과 관련된 우주론 연구에서 영감을 얻었습니다.

현대 물리학의 주요 임무 중 하나는 양자 이론과 일반 상대성 이론이라는 두 가지 기본 방향을 통합하는 것입니다. 과학자들은 매력을 다른 유형의 상호 작용과 연결하여 "모든 것에 대한 이론"을 만들려고 노력하고 있습니다. 이것이 바로 양자 중력이 하는 일, 즉 중력 상호 작용에 대한 양자적 설명을 제공하려는 물리학의 한 분야입니다. 이 방향의 파생물은 루프 중력 이론입니다.

적극적이고 다년간의 노력에도 불구하고 이 목표는 아직 달성되지 않았습니다. 그리고 그것은 이 문제의 복잡성조차 아닙니다. 단지 양자 이론과 일반 상대성이론이 완전히 다른 패러다임에 기초하고 있다는 것입니다. 양자 역학은 일반적인 시공간을 배경으로 작동하는 물리적 시스템을 다룹니다. 그리고 상대성 이론에서 시공간 자체는 그 안에 위치한 고전 시스템의 매개변수에 따라 동적 구성요소입니다.

만유인력에 관한 과학적 가설과 함께 현대 물리학과는 거리가 먼 이론도 있습니다. 불행히도 최근 몇 년 동안 그러한 "반대"는 인터넷과 서점 선반에 넘쳐났습니다. 그러한 작품의 일부 저자는 일반적으로 독자에게 중력이 존재하지 않으며 뉴턴과 아인슈타인의 법칙은 허구이자 사기라는 것을 알려줍니다.

예를 들어 뉴턴이 만유 인력의 법칙을 발견하지 못했고 행성과 달만이 태양계에서 중력을 가지고 있다고 주장하는 "과학자" Nikolai Levashov의 작품이 있습니다. 이 "러시아 과학자"는 다소 이상한 증거를 제시합니다. 그 중 하나는 2000년에 발생한 미국 탐사선 NEAR Shoemaker가 소행성 에로스로 비행한 것입니다. Levashov는 탐사선과 천체 사이의 인력 부족이 뉴턴 연구의 허위와 중력에 대한 진실을 사람들에게 숨기는 물리학 자의 음모에 대한 증거라고 생각합니다.

실제로 우주선은 임무를 성공적으로 완료했습니다. 먼저 소행성 궤도에 진입한 다음 표면에 연착륙했습니다.

인공 중력과 그것이 필요한 이유

현재의 이론적 지위에도 불구하고 일반 대중에게 잘 알려진 중력과 관련된 두 가지 개념이 있습니다. 반중력과 인공중력이 그것이다.

반중력은 인력을 크게 줄이거나 반발력으로 대체할 수 있는 인력에 대응하는 과정입니다. 이러한 기술을 익히면 운송, 항공, 우주 탐사 분야에서 진정한 혁명이 일어나고 우리 삶 전체가 근본적으로 변화될 것입니다. 그러나 현재로서는 반중력 가능성에 대한 이론적 확인조차 이뤄지지 않고 있다. 더욱이 일반 상대성 이론에 따르면 우리 우주에는 음의 질량이 있을 수 없기 때문에 그러한 현상은 전혀 실현 가능하지 않습니다. 앞으로 우리는 중력에 대해 더 많이 배우고 이 원리에 기초하여 항공기를 만드는 법을 배울 가능성이 있습니다.

인공 중력은 기존 중력에 인간이 만든 변화입니다. 오늘날 우리에게는 그러한 기술이 실제로 필요하지 않지만 장기적인 우주 여행이 시작되면 상황은 확실히 바뀔 것입니다. 그리고 요점은 우리의 생리학에 있습니다. 수백만 년에 걸쳐 지구의 일정한 중력으로 진화하는 데 "익숙해진"인체는 중력 감소의 영향을 극도로 부정적으로 인식합니다. 달의 중력(지구보다 6배 약함) 조건에서도 장기간 체류하면 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 인력의 환상은 관성과 같은 다른 물리적 힘을 사용하여 생성될 수 있습니다. 그러나 이러한 옵션은 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 현재 인공중력은 이론적인 정당성조차 갖고 있지 않습니다. 실제 구현이 가능한지는 아주 먼 미래의 문제임이 분명합니다.

중력은 학교 때부터 모든 사람에게 알려진 개념입니다. 과학자들은 이 현상을 철저하게 조사했어야 했을 것 같습니다! 그러나 중력은 현대 과학의 가장 깊은 미스터리로 남아 있습니다. 그리고 이것은 우리의 거대하고 놀라운 세계에 대한 인간의 지식이 얼마나 제한적인지를 보여주는 훌륭한 예라고 할 수 있습니다.

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