Gravitačná sila je rovnaká. Gravitačné sily: koncepcia a vlastnosti použitia vzorca na ich výpočet. Opis zákona univerzálnej gravitácie

Interakcia charakteristická pre všetky telá vesmíru a prejavujúca sa v ich vzájomnej príťažlivosti sa nazýva gravitačné a samotný fenomén univerzálnej gravitácie gravitácia .

Gravitačná interakcia vykonávané prostredníctvom špeciálneho druhu hmoty tzv gravitačné pole.

Gravitačné sily (gravitačné sily) sú spôsobené vzájomnou príťažlivosťou telies a smerujú pozdĺž čiary spájajúcej interagujúce body.

Newton dostal výraz pre gravitačnú silu v roku 1666, keď mal iba 24 rokov.

Zákon gravitácie: dve telesá sú k sebe priťahované silami priamo úmernými súčinu hmotností telies a nepriamo úmernými druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

Zákon je platný za predpokladu, že veľkosti tiel sú zanedbateľné v porovnaní so vzdialenosťami medzi nimi. Vzorec možno použiť aj na výpočet síl univerzálnej gravitácie, pre guľové telesá, pre dve telesá, z ktorých jedno je guľa a druhé hmotný bod.

Nazýva sa koeficient úmernosti G = 6,68·10 -11 gravitačná konštanta.

Fyzický význam Gravitačná konštanta je taká, že sa číselne rovná sile, ktorou sú priťahované dve telesá s hmotnosťou 1 kg, ktoré sa nachádzajú vo vzdialenosti 1 m od seba.

Gravitácia

Sila, ktorou Zem priťahuje blízke telesá, sa nazýva gravitácia a gravitačné pole Zeme je gravitačné pole .

Gravitačná sila smeruje nadol, do stredu Zeme. V tele prechádza cez bod tzv ťažisko. V tomto strede sa nachádza ťažisko homogénneho telesa so stredom symetrie (guľa, obdĺžniková alebo okrúhla doska, valec atď.). Navyše sa nemusí zhodovať so žiadnym z bodov daného telesa (napríklad v blízkosti prstenca).

Vo všeobecnom prípade, keď je potrebné nájsť ťažisko akéhokoľvek telesa nepravidelného tvaru, treba vychádzať z nasledujúceho vzoru: ak je teleso zavesené na nite pripevnenom postupne k rôznym bodom tela, potom smery označené vláknom sa pretnú v jednom bode, ktorý je presne ťažiskom tohto telesa.

Modul gravitácie sa určuje pomocou zákona univerzálnej gravitácie a je určený vzorcom:

Ft = mg, (2,7)

kde g je zrýchlenie voľného pádu telesa (g=9,8 m/s 2 ≈10 m/s 2).

Keďže smer zrýchlenia voľného pádu g sa zhoduje so smerom gravitácie F t, môžeme poslednú rovnosť prepísať v tvare

Z (2.7) vyplýva, že teda pomer sily pôsobiacej na teleso s hmotnosťou m v ľubovoľnom bode poľa k hmotnosti telesa určuje tiažové zrýchlenie v danom bode poľa.

Pre body umiestnené vo výške h od povrchu Zeme sa zrýchlenie voľného pádu telesa rovná:

(2.8)

kde RZ je polomer Zeme; MZ - hmotnosť Zeme; h je vzdialenosť od ťažiska telesa k povrchu Zeme.

Z tohto vzorca vyplýva,

Po prvé zrýchlenie voľného pádu nezávisí od hmotnosti a veľkosti tela a

Po druhé, s rastúcou výškou nad Zemou sa zrýchlenie voľného pádu znižuje. Napríklad v nadmorskej výške 297 km to nie je 9,8 m/s2, ale 9 m/s2.

Zníženie gravitačného zrýchlenia znamená, že s rastúcou výškou nad Zemou klesá aj sila gravitácie. Čím ďalej je teleso od Zeme, tým slabšie ho priťahuje.

Zo vzorca (1.73) je zrejmé, že g závisí od polomeru Zeme R z.

Ale kvôli sploštenosti Zeme má na rôznych miestach rôzny význam: pri pohybe od rovníka k pólu klesá. Napríklad na rovníku sa rovná 9,780 m/s2 a na póle - 9,832 m/s2. Okrem toho sa miestne hodnoty g môžu líšiť od ich priemerných hodnôt gav v dôsledku heterogénnej štruktúry zemskej kôry a podložia, horských pásiem a depresií, ako aj ložísk nerastov. Rozdiel medzi hodnotami g a g cf sa nazýva gravitačné anomálie:

Pozitívne anomálie Δg >0 často označujú ložiská kovovej rudy a negatívne anomálie Δg<0– о залежах лёгких полезных ископаемых, например нефти и газа.

Metóda zisťovania ložísk nerastov presným meraním gravitačného zrýchlenia je v praxi široko používaná a je tzv gravimetrický prieskum.

Zaujímavou vlastnosťou gravitačného poľa, ktorú elektromagnetické polia nemajú, je jeho všadeprítomná schopnosť. Ak sa dokážete chrániť pred elektrickými a magnetickými poľami pomocou špeciálnych kovových zásten, potom vás nič nemôže ochrániť pred gravitačným poľom: preniká cez akékoľvek materiály.

Gravitácia je najmocnejšia sila vo vesmíre, jeden zo štyroch základných princípov vesmíru, ktorý určuje jeho štruktúru. Kedysi vďaka nej vznikli planéty, hviezdy a celé galaxie. Dnes drží Zem na obežnej dráhe na jej nekonečnej ceste okolo Slnka.

Príťažlivosť je veľmi dôležitá pre každodenný život človeka. Vďaka tejto neviditeľnej sile pulzujú oceány nášho sveta, tečú rieky a na zem padajú kvapky dažďa. Od detstva cítime váhu svojho tela a okolitých predmetov. Vplyv gravitácie na naše ekonomické aktivity je tiež obrovský.

Prvú teóriu gravitácie vytvoril Isaac Newton na konci 17. storočia. Jeho Zákon univerzálnej gravitácie popisuje túto interakciu v rámci klasickej mechaniky. Tento jav obšírnejšie opísal Einstein vo svojej všeobecnej teórii relativity, ktorá bola publikovaná začiatkom minulého storočia. Procesy vyskytujúce sa gravitačnou silou na úrovni elementárnych častíc by mala vysvetľovať kvantová teória gravitácie, tá však ešte nebola vytvorená.

O povahe gravitácie dnes vieme oveľa viac ako za Newtonových čias, no napriek stáročiam štúdia stále zostáva skutočným kameňom úrazu modernej fyziky. V existujúcej teórii gravitácie je veľa prázdnych miest a stále presne nerozumieme tomu, čo ju generuje a ako sa táto interakcia prenáša. A, samozrejme, sme veľmi ďaleko od toho, aby sme mohli ovládať silu gravitácie, takže antigravitácia alebo levitácia budú dlho existovať len na stránkach vedecko-fantastických románov.

Čo padlo Newtonovi na hlavu?

Ľudia sa vždy zaujímali o povahu sily, ktorá priťahuje predmety k Zemi, ale až v 17. storočí sa Isaacovi Newtonovi podarilo poodhrnúť závoj tajomstva. Základ pre jeho prielom položili diela Keplera a Galilea, brilantných vedcov, ktorí študovali pohyby nebeských telies.

Ešte poldruha storočia pred Newtonovým zákonom univerzálnej gravitácie sa poľský astronóm Koperník domnieval, že príťažlivosť nie je „... nič iné ako prirodzená túžba, ktorou otec Vesmíru obdaril všetky častice, totiž spojiť sa do jedného spoločného celku, tvoriace guľové telesá“. Descartes považoval príťažlivosť za dôsledok porúch vo svetovom étere. Grécky filozof a vedec Aristoteles si bol istý, že hmotnosť ovplyvňuje rýchlosť padajúcich telies. A až Galileo Galilei na konci 16. storočia dokázal, že to nie je pravda: ak neexistuje odpor vzduchu, všetky objekty sa zrýchľujú rovnako.

Na rozdiel od populárnej legendy o hlave a jablku, Newtonovi trvalo viac ako dvadsať rokov, kým pochopil podstatu gravitácie. Jeho gravitačný zákon je jedným z najvýznamnejších vedeckých objavov všetkých čias. Je univerzálny a umožňuje vypočítať trajektórie nebeských telies a presne opísať správanie objektov okolo nás. Klasická teória gravitácie položila základy nebeskej mechaniky. Newtonove tri zákony dali vedcom príležitosť objavovať nové planéty doslova „na špičke pera“ v konečnom dôsledku vďaka nim človek dokázal prekonať zemskú gravitáciu a letieť do vesmíru. Do filozofického konceptu materiálnej jednoty vesmíru vniesli prísny vedecký základ, v ktorom sú všetky prírodné javy vzájomne prepojené a riadené všeobecnými fyzikálnymi pravidlami.

Newton nielenže zverejnil vzorec umožňujúci vypočítať silu, ktorá k sebe telá priťahuje, ale vytvoril aj kompletný model, ktorý zahŕňal aj matematickú analýzu. Tieto teoretické závery boli opakovane potvrdené v praxi, vrátane použitia najmodernejších metód.

V Newtonovej teórii každý hmotný objekt generuje príťažlivé pole, ktoré sa nazýva gravitačné. Okrem toho je sila úmerná hmotnosti oboch telies a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi nimi:

F = (G m1 m2)/r2

G je gravitačná konštanta, ktorá sa rovná 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Henry Cavendish to ako prvý vypočítal v roku 1798.

V každodennom živote a v aplikovaných disciplínach sa o sile, ktorou Zem priťahuje teleso, hovorí ako o jeho váhe. Jednoducho povedané, príťažlivosť medzi akýmikoľvek dvoma hmotnými objektmi vo vesmíre je to, čo je gravitácia.

Gravitačná sila je najslabšia zo štyroch základných fyzikálnych interakcií, ale vďaka svojim vlastnostiam je schopná regulovať pohyb hviezdnych sústav a galaxií:

• Príťažlivosť funguje na akúkoľvek vzdialenosť, to je hlavný rozdiel medzi gravitáciou a silnými a slabými jadrovými interakciami. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou sa jeho účinok znižuje, ale nikdy sa nerovná nule, takže môžeme povedať, že aj dva atómy umiestnené na rôznych koncoch galaxie majú vzájomný vplyv. Je len veľmi malý;
• Gravitácia je univerzálna. Pole príťažlivosti je vlastné každému hmotnému telu. Vedci zatiaľ neobjavili na našej planéte ani vo vesmíre objekt, ktorý by sa nezúčastňoval tohto typu interakcie, takže úloha gravitácie v živote Vesmíru je obrovská. To odlišuje gravitáciu od elektromagnetickej interakcie, ktorej vplyv na kozmické procesy je minimálny, keďže v prírode je väčšina telies elektricky neutrálna. Gravitačné sily nie je možné obmedziť ani tieniť;
• Gravitácia pôsobí nielen na hmotu, ale aj na energiu. Pre neho nezáleží na chemickom zložení predmetov;

Pomocou Newtonovho vzorca možno ľahko vypočítať silu príťažlivosti. Napríklad gravitácia na Mesiaci je niekoľkonásobne menšia ako na Zemi, pretože náš satelit má relatívne malú hmotnosť. Stačí však, aby sa vo Svetovom oceáne vytvorili pravidelné prílivy a odlivy. Na Zemi je gravitačné zrýchlenie približne 9,81 m/s2. Navyše na póloch je o niečo väčšia ako na rovníku.

Napriek ich obrovskému významu pre ďalší rozvoj vedy mali Newtonove zákony množstvo nedostatkov, ktoré prenasledovali výskumníkov. Nebolo jasné, ako gravitácia pôsobí cez absolútne prázdny priestor na obrovské vzdialenosti a nepochopiteľnou rýchlosťou. Navyše sa postupne začali hromadiť údaje, ktoré odporovali Newtonovým zákonom: napríklad gravitačný paradox alebo posunutie perihélia Merkúra. Ukázalo sa, že teória univerzálnej gravitácie si vyžaduje zlepšenie. Táto česť pripadla geniálnemu nemeckému fyzikovi Albertovi Einsteinovi.

Príťažlivosť a teória relativity

Newtonovo odmietnutie diskutovať o povahe gravitácie („Nevymýšľam žiadne hypotézy“) bolo zjavnou slabosťou jeho konceptu. Nie je prekvapujúce, že v nasledujúcich rokoch vzniklo mnoho teórií gravitácie.

Väčšina z nich patrila k takzvaným hydrodynamickým modelom, ktoré sa snažili podložiť výskyt gravitácie mechanickou interakciou hmotných objektov s nejakou medzilátkou s určitými vlastnosťami. Výskumníci to nazvali inak: „vákuum“, „éter“, „prúdenie gravitácie“ atď. V tomto prípade sila príťažlivosti medzi telesami vznikla v dôsledku zmien v tejto látke, keď bola absorbovaná predmetmi alebo tienenými tokmi. V skutočnosti mali všetky takéto teórie jednu vážnu nevýhodu: celkom presne predpovedať závislosť gravitačnej sily od vzdialenosti, mali viesť k spomaleniu telies, ktoré sa pohybovali vzhľadom na „éter“ alebo „gravitónový tok“.

Einstein sa k tejto problematike postavil z iného uhla. V jeho všeobecnej teórii relativity (GTR) sa gravitácia nepovažuje za interakciu síl, ale ako vlastnosť samotného časopriestoru. Akýkoľvek predmet, ktorý má hmotnosť, spôsobuje, že sa ohýba, čo spôsobuje príťažlivosť. V tomto prípade je gravitácia geometrickým efektom, ktorý sa uvažuje v rámci neeuklidovskej geometrie.

Jednoducho povedané, časopriestorové kontinuum ovplyvňuje hmotu a spôsobuje jej pohyb. A ona zase ovplyvňuje priestor a „hovorí“ mu, ako sa má ohýbať.

Príťažlivé sily pôsobia aj v mikrokozme, no na úrovni elementárnych častíc je ich vplyv v porovnaní s elektrostatickou interakciou zanedbateľný. Fyzici veria, že gravitačná interakcia nebola v prvých okamihoch (10 - 43 sekúnd) po veľkom tresku nižšia ako u ostatných.

V súčasnosti je koncept gravitácie navrhovaný vo všeobecnej teórii relativity hlavnou pracovnou hypotézou prijatou väčšinou vedeckej komunity a potvrdenou výsledkami mnohých experimentov.

Einstein vo svojej práci predvídal úžasné účinky gravitačných síl, z ktorých väčšina už bola potvrdená. Napríklad schopnosť masívnych telies ohýbať svetelné lúče a dokonca spomaliť tok času. S posledným fenoménom treba počítať pri prevádzke globálnych satelitných navigačných systémov ako GLONASS a GPS, inak by po niekoľkých dňoch bola ich chyba desiatky kilometrov.

Dôsledkom Einsteinovej teórie sú navyše takzvané jemné účinky gravitácie, ako je gravimagnetické pole a odpor inerciálnych vzťažných sústav (známy aj ako Lense-Thirringov efekt). Tieto prejavy gravitácie sú také slabé, že ich dlho nebolo možné odhaliť. Len v roku 2005 sa vďaka unikátnej misii NASA Gravity Probe B potvrdil Lense-Thirringov efekt.

Gravitačné žiarenie alebo najzásadnejší objav posledných rokov

Gravitačné vlny sú vibrácie geometrickej časopriestorovej štruktúry, ktoré sa pohybujú rýchlosťou svetla. Existenciu tohto javu predpovedal aj Einstein vo Všeobecnej teórii relativity, no pre slabosť gravitačnej sily je jeho veľkosť veľmi malá, takže sa ho dlho nepodarilo odhaliť. Existenciu radiácie podporili len nepriame dôkazy.

Podobné vlny generujú akékoľvek hmotné objekty pohybujúce sa s asymetrickým zrýchlením. Vedci ich opisujú ako „vlnky v časopriestore“. Najsilnejšími zdrojmi takéhoto žiarenia sú kolidujúce galaxie a kolabujúce systémy pozostávajúce z dvoch objektov. Typickým príkladom posledného prípadu je spájanie čiernych dier alebo neutrónových hviezd. Počas takýchto procesov môže gravitačné žiarenie preniesť viac ako 50 % celkovej hmotnosti systému.

Gravitačné vlny prvýkrát objavili v roku 2015 dve observatóriá LIGO. Takmer okamžite získala táto udalosť status najväčšieho objavu vo fyzike za posledné desaťročia. V roku 2017 mu bola udelená Nobelova cena. Potom sa vedcom podarilo ešte niekoľkokrát odhaliť gravitačné žiarenie.

Ešte v 70. rokoch minulého storočia - dávno pred experimentálnym potvrdením - vedci navrhli použiť gravitačné žiarenie na komunikáciu na veľké vzdialenosti. Jeho nepochybnou výhodou je vysoká schopnosť prejsť akoukoľvek látkou bez toho, aby sa absorbovala. Ale v súčasnosti je to sotva možné, pretože pri vytváraní a prijímaní týchto vĺn sú obrovské ťažkosti. A stále nemáme dostatok skutočných vedomostí o povahe gravitácie.

Dnes už niekoľko zariadení podobných LIGO funguje v rôznych krajinách sveta a budujú sa nové. Je pravdepodobné, že v blízkej budúcnosti sa dozvieme viac o gravitačnom žiarení.

Alternatívne teórie univerzálnej gravitácie a dôvody ich vzniku

V súčasnosti je dominantným konceptom gravitácie všeobecná relativita. Celý existujúci súbor experimentálnych údajov a pozorovaní je s ním v súlade. Zároveň má veľké množstvo zjavných slabín a kontroverzných problémov, takže pokusy o vytvorenie nových modelov, ktoré vysvetľujú povahu gravitácie, neustávajú.

Všetky doteraz vyvinuté teórie univerzálnej gravitácie možno rozdeliť do niekoľkých hlavných skupín:

• štandardné;
• alternatíva;
• kvantový;
• jednotná teória poľa.

Pokusy o vytvorenie nového konceptu univerzálnej gravitácie sa uskutočnili už v 19. storočí. Rôzni autori do nej zaradili éter či korpuskulárnu teóriu svetla. Ale objavenie sa Všeobecnej relativity ukončilo tieto výskumy. Po jeho zverejnení sa cieľ vedcov zmenil - teraz bolo ich úsilie zamerané na zlepšenie Einsteinovho modelu vrátane nových prírodných javov v ňom: rotácia častíc, expanzia vesmíru atď.

Začiatkom osemdesiatych rokov fyzici experimentálne odmietli všetky koncepty okrem tých, ktoré zahŕňali všeobecnú teóriu relativity ako integrálnu súčasť. V tom čase prišli do módy „teórie strún“, ktoré vyzerali veľmi sľubne. Ale tieto hypotézy neboli nikdy experimentálne potvrdené. Za posledné desaťročia veda dosiahla významné výšky a nazhromaždila obrovské množstvo empirických údajov. Dnes sú pokusy o vytvorenie alternatívnych teórií gravitácie inšpirované najmä kozmologickými výskumami súvisiacimi s pojmami ako „temná hmota“, „inflácia“, „temná energia“.

Jednou z hlavných úloh modernej fyziky je zjednotenie dvoch základných smerov: kvantovej teórie a všeobecnej teórie relativity. Vedci sa snažia spojiť príťažlivosť s inými typmi interakcií, čím vytvárajú „teóriu všetkého“. Presne to robí kvantová gravitácia – odvetvie fyziky, ktoré sa snaží poskytnúť kvantový popis gravitačných interakcií. Odnožou tohto smeru je teória slučkovej gravitácie.

Napriek aktívnemu a dlhoročnému úsiliu sa tento cieľ zatiaľ nepodarilo naplniť. A nejde ani o zložitosť tohto problému: ide len o to, že kvantová teória a všeobecná relativita sú založené na úplne odlišných paradigmách. Kvantová mechanika sa zaoberá fyzikálnymi systémami fungujúcimi na pozadí bežného časopriestoru. A v teórii relativity je samotný časopriestor dynamickou zložkou v závislosti od parametrov klasických systémov, ktoré sa v ňom nachádzajú.

Spolu s vedeckými hypotézami o univerzálnej gravitácii existujú aj teórie, ktoré sú veľmi vzdialené modernej fyzike. Bohužiaľ, v posledných rokoch takéto „opusy“ jednoducho zaplavili internet a regály kníhkupectiev. Niektorí autori takýchto diel vo všeobecnosti informujú čitateľa, že gravitácia neexistuje a Newtonove a Einsteinove zákony sú fikcie a podvody.

Príkladom sú práce „vedca“ Nikolaja Levashova, ktorý tvrdí, že Newton neobjavil zákon univerzálnej gravitácie a gravitačnú silu v slnečnej sústave majú len planéty a náš satelit Mesiac. Tento „ruský vedec“ podáva dosť zvláštne dôkazy. Jedným z nich je let americkej sondy NEAR Shoemaker k asteroidu Eros, ktorý sa uskutočnil v roku 2000. Levashov považuje nedostatok príťažlivosti medzi sondou a nebeským telesom za dôkaz nepravdivosti Newtonových diel a sprisahania fyzikov, ktorí pred ľuďmi skrývali pravdu o gravitácii.

V skutočnosti kozmická loď úspešne dokončila svoju misiu: najprv vstúpila na obežnú dráhu asteroidu a potom jemne pristála na jeho povrchu.

Umelá gravitácia a prečo je potrebná

S gravitáciou sú spojené dva pojmy, ktoré sú napriek ich súčasnému teoretickému statusu širokej verejnosti dobre známe. Ide o antigravitáciu a umelú gravitáciu.

Antigravitácia je proces pôsobenia proti sile príťažlivosti, ktorý ju môže výrazne znížiť alebo dokonca nahradiť odpudzovaním. Zvládnutie takejto technológie by viedlo k skutočnej revolúcii v doprave, letectve, prieskume vesmíru a radikálne by zmenilo celý náš život. Ale v súčasnosti možnosť antigravitácie nemá ani teoretické potvrdenie. Navyše, na základe všeobecnej teórie relativity nie je takýto jav vôbec realizovateľný, keďže v našom Vesmíre nemôže existovať negatívna hmotnosť. Je možné, že v budúcnosti sa dozvieme viac o gravitácii a naučíme sa stavať lietadlá na tomto princípe.

Umelá gravitácia je človekom spôsobená zmena existujúcej gravitačnej sily. Dnes takúto technológiu naozaj nepotrebujeme, no po začatí dlhodobých vesmírnych ciest sa situácia určite zmení. A pointa je v našej fyziológii. Ľudské telo, „navyknuté“ za milióny rokov evolúcie na konštantnú gravitáciu Zeme, vníma účinky zníženej gravitácie mimoriadne negatívne. Dlhý pobyt aj v podmienkach lunárnej gravitácie (šesťkrát slabšej ako zemská) môže viesť k strašným následkom. Ilúzia príťažlivosti môže byť vytvorená pomocou iných fyzikálnych síl, ako je zotrvačnosť. Takéto možnosti sú však zložité a drahé. Umelá gravitácia nemá v súčasnosti ani teoretické opodstatnenie, je zrejmé, že jej možná praktická realizácia je vecou veľmi vzdialenej budúcnosti.

Gravitácia je pojem, ktorý pozná každý už zo školy. Zdalo by sa, že vedci mali tento jav dôkladne preskúmať! Ale gravitácia zostáva najhlbším tajomstvom modernej vedy. A toto možno nazvať vynikajúcim príkladom toho, aké obmedzené sú ľudské vedomosti o našom obrovskom a úžasnom svete.

Ak máte nejaké otázky, nechajte ich v komentároch pod článkom. My alebo naši návštevníci im radi odpovieme