Повернути кохану
08.06.2024

Гравітаційна сила дорівнює. Гравітаційні сили: поняття та особливості застосування формули для їх розрахунку. Опис закону всесвітнього тяжіння

Визначення

Між будь-якими тілами, які мають маси, діють сили, які притягують вищезгадані тіла одне до одного.

Такі сили називають силами взаємного тяжіння.

Розглянемо дві матеріальні точки (рис.1). Вони притягуються з силами прямо пропорційними до твору мас цих матеріальних точок і обернено пропорційними відстані між ними. Так, сила тяжіння () буде рівна:

де матеріальна точка маси m 2 діє матеріальну точку маси m 1 із силою тяжіння – радіус – вектор, який з точки 2 у точку 1, модуль цього вектора дорівнює відстані між матеріальними точками (r); G=6,67 10 -11 м 3 кг -1 з -2 (у системі СІ) – гравітаційна стала (постійна тяжіння).

Відповідно до третього закону Ньютона сила, з якою матеріальна точка 2 притягується до матеріальної точки 1 () дорівнює:

Тяжіння між тілами здійснюється за допомогою гравітаційного поля (поля тяжіння). Сили тяжіння є потенційними. Це дає можливість запровадити таку енергетичну характеристику гравітаційного поля як потенціал, що дорівнює відношенню потенційної енергії матеріальної точки, що знаходиться досліджуваній точці поля маси даної точки.

Формула для сили тяжіння тіл довільної форми

У двох тілах довільної форми та розміру виділимо елементарні маси, які можна вважати матеріальними точками, причому:

де – густини речовини матеріальних точок першого і другого тіл, dV 1 , dV 2 - елементарні обсяги виділених матеріальних точок. У такому випадку, сила тяжіння (), з якою елемент dm 2 діє елемент dm 1 , дорівнює:

Отже, сила тяжіння першого тіла другим може бути знайдена за такою формулою:

де інтегрування необхідно провести по всьому обсягу першого (V1) та другого (V2) тел. Якщо тіла є однорідними, то вираз можна трохи перетворити та отримати:

Формула для сили тяжіння твердих тіл кулястої форми

Якщо сили тяжіння розглядаються для двох твердих тіл кулястої форми (або близьких до куль), щільність яких залежить тільки від відстаней до їх центрів формула (6) набуде вигляду:

Вираз (7) можна використовувати у разі, якщо одне з тіл має форму відмінну від кулястої, але його розміри набагато менші, ніж розміри другого тіла - кулі. Так, формулою (7) можна використовувати для обчислень сил тяжіння тіл до Землі.

Одиниці виміру сили тяжіння

Основною одиницею виміру сили тяжіння (як і будь-якої іншої сили) у системі СІ є: =H.

У СГС: = Дін.

Приклади розв'язання задач

приклад

Завдання.Якою є сила тяжіння двох однакових однорідних кулі маса, яких дорівнює по 1 кг? Відстань між їхніми центрами дорівнює 1 м-коду.

Рішення.Основою для вирішення завдання є формула:

Для обчислення модуля сили тяжіння формула (1.1) перетворюється на вид:

Проведемо обчислення:

Відповідь.

приклад

Завдання.З якою силою (за модулем) нескінченно довгий і тонкий і прямий стрижень притягує матеріальну частину маси m.

Частка розташована на відстані a від стрижня. Лінійна щільність маси речовини стрижня дорівнює тау

На запитання "Що таке сила?" Фізика відповідає так: «Сила є міра взаємодії речових тіл між собою або між тілами та іншими матеріальними об'єктами – фізичними полями». Всі сили в природі можуть бути віднесені до чотирьох фундаментальних видів взаємодій: сильної, слабкої, електромагнітної та гравітаційної. Наша стаття розповідає про те, що є гравітаційними силами - міра останнього і, мабуть, найбільш широко поширеного в природі виду цих взаємодій.

Почнемо з тяжіння землі

Всім, хто живе, відомо, що існує сила, яка притягує об'єкти до землі. Вона зазвичай називається гравітацією, силою тяжіння чи земним тяжінням. Завдяки її наявності у людини виникли поняття «верх» і «низ», що визначають напрямок руху або розташування чогось щодо земної поверхні. Так в окремому випадку, на поверхні землі або поблизу неї, проявляють себе гравітаційні сили, які притягують об'єкти, що володіють масою, один до одного, проявляючи свою дію на будь-яких як найменших, так і дуже великих, навіть за космічними мірками, відстанях.

Як відомо, будь-яка сила, якщо вона розглядається як міра взаємодії фізичних тіл, завжди прикладена до якогось із них. Так і в гравітаційній взаємодії тіл один з одним, кожне з них зазнає таких видів гравітаційних сил, які викликані впливом кожного з них. Якщо тіл всього два (передбачається, що дія всіх інших можна знехтувати), то кожне з них за третім законом Ньютона буде притягувати інше тіло з однаковою силою. Так Місяць і Земля притягують одне одного, наслідком є ​​припливи і відпливи земних морів.

Кожна планета у Сонячній системі відчуває відразу кілька сил тяжіння з боку Сонця та інших планет. Звичайно, визначає форму та розміри її орбіти саме сила тяжіння Сонця, але й вплив інших небесних тіл астрономи враховують у своїх розрахунках траєкторій їхнього руху.

Що швидше впаде на землю з висоти?

Головною особливістю цієї сили є те, що всі об'єкти падають на землю з однією швидкістю, незалежно від їхньої маси. Колись, аж до 16-го ст., вважалося, що все навпаки – важчі тіла мають падати швидше, ніж легені. Щоб розвіяти цю помилку Галілео Галілею довелося виконати свій знаменитий досвід із одночасного скидання двох гарматних ядер різної ваги з похилої Пізанської вежі. Всупереч очікуванням свідків експерименту обидва ядра досягли поверхні одночасно. Сьогодні кожен школяр знає, що це сталося завдяки тому, що сила тяжіння повідомляє будь-якому тілу те саме прискорення вільного падіння g = 9,81 м/с 2 незалежно від маси m цього тіла, а величина її за другим законом Ньютона дорівнює F = mg.

Гравітаційні сили на Місяці та інших планетах мають різні значення цього прискорення. Однак характер дії сили тяжіння на них такий самий.

Сила тяжкості та вага тіла

Якщо перша сила прикладена безпосередньо до самого тіла, то друга до його опори чи підвісу. У цій ситуації на тіла з боку опор та підвісів завжди діють сили пружності. Гравітаційні сили, прикладені до тих самих тіл, діють їм назустріч.

Уявіть собі вантаж, що підвішений над землею на пружині. До нього прикладено дві сили: сила пружності розтягнутої пружини та сила тяжіння. Згідно з третім законом Ньютона вантаж діє на пружину з силою, рівною та протилежною силі пружності. Ця сила і буде його вагою. У вантажу масою 1 кг вага дорівнює Р = 1 кг ∙ 9,81 м/с 2 = 9,81 Н (ньютон).

Гравітаційні сили: визначення

Перша кількісна теорія гравітації, заснована на спостереженнях руху планет, була сформульована Ісааком Ньютоном в 1687 в його знаменитих "Початках натуральної філософії". Він писав, що сили тяжіння, які діють на Сонці та планети, залежать від кількості речовини, яку вони містять. Вони поширюються великі відстані і завжди зменшуються як величини, зворотні квадрату відстані. Як можна обчислити ці гравітаційні сили? Формула для сили F між двома об'єктами з масами m 1 і m 2 , що знаходяться на відстані r, така:

  • F=Gm 1 m 2 /r 2 ,
    де G - Константа пропорційності, гравітаційна постійна.

Фізичний механізм гравітації

Ньютон був не повністю задоволений своєю теорією, оскільки вона передбачала взаємодію між тілами, що притягуються, на відстані. Сам великий англієць був упевнений, що повинен існувати якийсь фізичний агент, відповідальний за передачу дії одного тіла на інше, про що він зрозуміло висловився в одному зі своїх листів. Але час, коли було запроваджено поняття гравітаційного поля, яке пронизує весь простір, настав лише через чотири століття. Сьогодні, говорячи про гравітацію, ми можемо говорити про взаємодію будь-якого (космічного) тіла з гравітаційним полем інших тіл, мірою якого і служать гравітаційні сили, що виникають між кожною парою тіл. Закон всесвітнього тяжіння, сформульований Ньютоном у наведеній вище формі, залишається вірним і підтверджується безліччю фактів.

Теорія гравітації та астрономія

Вона була дуже успішно застосована до вирішення завдань небесної механіки під час XVIII та на початку XIX століття. Наприклад, математики Д. Адамс і У. Левер'є, аналізуючи порушення орбіти Урана, припустили, що у нього діють гравітаційні сили взаємодії з ще невідомою планетою. Ними було вказано її передбачуване становище, і незабаром астрономом І. Галле там знайшли Нептун.

Хоча залишалася одна проблема. Левер'є в 1845 розрахував, що орбіта Меркурія прецесує на 35 "" за століття, на відміну від нульового значення цієї прецесії, одержуваного по теорії Ньютона. Наступні виміри дали точніше значення 43"". (Спостережувана прецесія дорівнює дійсно 570"/вік, але копіткий розрахунок, що дозволяє відняти вплив від усіх інших планет, дає значення 43".

Лише у 1915 р. Альберт Ейнштейн зміг пояснити цю невідповідність у межах створеної ним теорії гравітації. Виявилося, що масивне Сонце, як і будь-яке інше масивне тіло, викривляє простір-час у своїй околиці. Ці ефекти викликають відхилення в орбітах планет, але у Меркурія, як найменшої та найближчої до нашої зірки планети, вони виявляються найсильніше.

Інерційна та гравітаційна маси

Як уже зазначалося вище, Галілей був першим, хто спостерігав, що об'єкти падають на землю з однаковою швидкістю, незалежно від їхньої маси. У формулах Ньютона поняття маси походить від двох різних рівнянь. Другий закон каже, що сила F, прикладена до тіла з масою m, дає прискорення за рівнянням F = ma.

Проте сила тяжкості F, прикладена до тіла, задовольняє формулі F = mg, де g залежить від іншого тіла, що взаємодіє з аналізованим (землі зазвичай, коли ми говоримо про силу тяжіння). В обох рівнянь m є коефіцієнт пропорційності, але в першому випадку це інерційна маса, а в другому - гравітаційна, і немає жодної очевидної причини, що вони мають бути однаковими для будь-якого фізичного об'єкта.

Однак усі експерименти показують, що це справді так.

Теорія гравітації Ейнштейна

Він узяв факт рівності інерційної та гравітаційної мас як відправну точку для своєї теорії. Йому вдалося побудувати рівняння гравітаційного поля, знамениті рівняння Ейнштейна, і з їхньою допомогою обчислити правильне значення для прецесії орбіти Меркурія. Вони також дають виміряне значення відхилення світлових променів, що проходять поблизу Сонця, і немає жодних сумнівів у тому, що з них випливають правильні результати для макроскопічної гравітації. Теорія гравітації Ейнштейна, чи загальна теорія відносності (ОТО), як і сам її назвав, одна із найбільших тріумфів сучасної науки.

Гравітаційні сили – це прискорення?

Якщо ви не можете відрізнити інерційну масу від гравітаційної, ви не можете відрізнити і гравітацію від прискорення. Експеримент у гравітаційному полі натомість може бути виконаний у прискорено рухомому ліфті без гравітації. Коли космонавт в ракеті прискорюється, віддаляючись від землі, він відчуває силу тяжкості, яка в кілька разів більша за земну, причому переважна її частина приходить від прискорення.

Якщо ніхто не може відрізнити гравітацію від прискорення, першу завжди можна відтворити шляхом прискорення. Система, у якій прискорення замінює силу тяжкості, називається інерційною. Тому Місяць на навколоземній орбіті також можна як інерційну систему. Однак ця система відрізнятиметься від точки до точки, оскільки змінюється гравітаційне поле. (У прикладі з Місяцем гравітаційне поле змінює напрямок з однієї точки в іншу.) Принцип, згідно з яким завжди можна знайти інерційну систему в будь-якій точці простору та часу, в якій фізика підпорядковується законам без гравітації, називається принципом еквівалентності.

Гравітація як прояв геометричних властивостей простору-часу

Той факт, що гравітаційні сили можна як прискорення в інерційних системах координат, які від точки до точки, означає, що гравітація - це геометричне поняття.

Ми говоримо, що простір-час викривляється. Розглянемо м'яч на плоскій поверхні. Він буде лежати або, якщо немає ніякого тертя, поступово рухатися за відсутності дії будь-яких сил на нього. Якщо поверхня викривляється, м'яч прискориться і рухатиметься до найнижчої точки, вибираючи найкоротший шлях. Аналогічно теорія Ейнштейна стверджує, що чотиривимірне простір-час викривлено, і тіло рухається в цьому викривленому просторі геодезичною лінії, якій відповідає найкоротший шлях. Тому гравітаційне поле та діючі в ньому на фізичні тіла гравітаційні сили - це геометричні величини, що залежать від властивостей простору-часу, які найбільше змінюються поблизу масивних тіл.

Гравітація - таємнича сила у Всесвіті. Вчені не знають остаточно її природи. Саме вона утримує на орбітах планети Сонячної системи. Це сила, що виникає між двома об'єктами і залежить від маси та відстані.

Гравітацію називають силою тяжіння чи тяжіння. За допомогою неї планета чи інше тіло тягне об'єкти до свого центру. Сила тяжіння утримує планети на орбіті навколо Сонця.

Що ще робить гравітація?

Чому ви приземляєтеся на землю, коли схоплюєтеся, а не відпливаєте в космос? Чому предмети падають, коли ви їх кидаєте? Відповідь — невидима сила тяжіння, яка тягне об'єкти один до одного. Земна гравітація це те, що тримає вас на землі і змушує речі падати.

Все, що має багато, має гравітацію. Потужність гравітації залежить від двох факторів: маси предметів та відстані між ними. Якщо взяти в руки камінь та перо, з однакової висоти відпустити їх, обидва предмети впадуть на землю. Важкий камінь впаде швидше за пір'я. Перо ще повисить у повітрі, бо воно легше. Об'єкти з більшою масою мають більшу силу тяжіння, яка стає слабшою з відстанню: чим ближче об'єкти один до одного, тим сильніше їхнє гравітаційне тяжіння.

Гравітація на Землі та у Всесвіті

Під час польоту літака люди в ньому залишаються на місцях і можуть пересуватись як на землі. Так відбувається через траєкторію польоту. Існує спеціально розроблені літаки, у яких певній висоті відсутня гравітація, утворюється невагомість. Літак виконує спеціальний маневр, маса предметів змінюється, вони ненадовго піднімаються у повітря. За кілька секунд гравітаційне поле відновлюється.

Розглядаючи силу гравітації в Космосі, у земної кулі вона більша за більшість планет. Достатньо переглянути рух космонавтів при висадці на планети. Якщо по землі ми ходимо спокійно, то там космонавти ніби ширяють у повітрі, але не відлітають у космос. Це означає, що в цієї планети теж є сила тяжіння, просто трохи інша, ніж у планети Земля.

Сила тяжіння Сонця настільки велика, що утримує дев'ять планет, численні супутники, астероїди та планети.

Гравітація грає найважливішу роль розвитку Всесвіту. За відсутності сили тяжіння не було б зірок, планет, астероїдів, чорних дірок, галактик. Цікаво, що чорних дірок насправді не видно. Вчені визначають ознаки чорної дірки за рівнем потужності гравітаційного поля у певній області. Якщо воно дуже сильне з сильним ваганням, це говорить про існування чорної дірки.

Міф 1. У космосі відсутня гравітація

Переглядаючи документальні фільми про космонавтів, здається, що вони ширяють над поверхнею планет. Так відбувається через те, що на інших планетах гравітація нижча, ніж на Землі, тому космонавти йдуть ніби ширяючи в повітрі.

Міф 2. Всі ті тіла, що наближаються до чорної діри, розриваються

Чорні діри мають потужну силу і утворюють потужні гравітаційні поля. Чим ближче об'єкт до чорної дірки, тим сильнішими стають приливні сили та потужність тяжіння. Подальший розвиток подій залежить від маси об'єкта, розміру чорної дірки та відстані між ними. Чорна діра має масу прямо протилежну її розміру. Цікаво, що чим більший розмір дірки, тим слабші припливні сили і навпаки. Таким чином, не всі об'єкти розриваються при попаданні у поле чорної дірки.

Міф 3. Штучні супутники можуть звертатися навколо Землі вічно

Теоретично можна сказати, якби вплив другорядних чинників. Багато залежить від орбіти. На низькій орбіті супутник вічно літати не зможе через атмосферне гальмування, на високих орбітах він може перебувати в незмінному стані досить довго, але тут набувають чинності гравітаційні сили інших об'єктів.

Якби з усіх планет існувала лише Земля, супутник притягувався до неї і практично не змінював траєкторію руху. Але на високих орбітах об'єкт оточує безліч планет, великих і малих, кожна зі своєю силою тяжіння.

І тут супутник поступово відходив від своєї орбіти і рухався хаотично. І, цілком імовірно, що через якийсь час, він звалився б на найближчу поверхню або перейшов на іншу орбіту.

Деякі факти

  1. У деяких куточках Землі сила гравітації має слабшу силу, ніж планети. Наприклад, у Канаді, в районі Гудзонової затоки сила тяжіння нижча.
  2. Коли космонавти повертаються з космосу на нашу планету, на початку їм важко пристосуватися до гравітаційної сили земної кулі. Іноді це триває кілька місяців.
  3. Найпотужнішою силою гравітації серед космічних об'єктів мають чорні дірки. Одна чорна дірка розміром із м'ячик має силу більше, ніж будь-яка планета.

Незважаючи на безперервне вивчення сили тяжіння, гравітація залишається нерозкритою. Це означає, що наукові знання залишаються обмеженими і людству доведеться пізнати багато нового.

Взаємодія, властива всім тілам Всесвіту і виявляється в їх взаємному тяжінні один до одного, називають гравітаційнима саме явище всесвітнього тяжіння гравітацією .

Гравітаційна взаємодіяздійснюється за допомогою особливого виду матерії, званого гравітаційним полем.

Гравітаційні сили (сили тяжіння)обумовлені взаємним тяжінням тіл і спрямовані вздовж лінії, що з'єднує точки взаємодії.

Вираз для сили тяжіння в 1666 отримав Ньютон, коли йому було всього 24 роки.

Закон всесвітнього тяготіння: два тіла притягуються один до одного з силами прямопропорційними добутку мас тіл і обернено пропорційними квадрату відстані між ними:

Закон справедливий за умови, що розміри тіл зневажливо малі порівняно з відстанями між ними. Також формула може застосовуватися до розрахунку сил всесвітнього тяжіння, для тіл кульової форми, для двох тіл, одне з яких є кулею, інше матеріальною точкою.

Коефіцієнт пропорційності G = 6,68 · 10 -11 носить назву гравітаційної постійної.

Фізичний змістгравітаційної постійної полягає в тому, що вона чисельно дорівнює силі, з якою притягуються два тіла масою по 1 кг кожна, що знаходяться на відстані 1 м один від одного.

Сила тяжіння

Сила, з якою Земля притягує тіло, що знаходиться поблизу, називається силою тяжіння , а гравітаційне поле Землі – полем тяжкості .

Спрямовано силу тяжіння вниз, до центру Землі. У тілі вона проходить через точку, яка називається центром тяжіння. Центр тяжкості однорідного тіла, що має центр симетрії (куля, прямокутна або кругла пластина, циліндр тощо) знаходиться в цьому центрі. При цьому він може і не збігатися з жодною з точок даного тіла (наприклад, у кільця).

У випадку, коли потрібно знайти центр тяжкості якогось тіла неправильної форми, слід з наступної закономірності: якщо тіло підвішувати на нитки, прикрепляемой послідовно до різних точок тіла, то зазначені ниткою напрями перетинуться у одній точці, яка і є центром тяжкості цього тіла.

Модуль сили тяжіння перебуватиме за допомогою закону всесвітнього тяжіння і визначається за формулою:

F т = mg, (2.7)

де g – прискорення вільного падіння тіла (g=9,8 м/с 2 ≈10м/с 2).

Оскільки напрям прискорення вільного падіння g збігається з напрямом сили тяжкості F т можна останню рівність переписати як

З (2.7) випливає, що відношення сили, що діє на тіло масою m в будь-якій точці поля, до маси тіла визначає прискорення вільного падіння в даній точці поля.

Для точок, що знаходяться на висоті h від поверхні Землі, прискорення вільного падіння тіла дорівнює:

(2.8)

де R З - Радіус Землі; М З - маса Землі; h - відстань від центру ваги тіла до Землі.

З цієї формули випливає, що,

по перше, прискорення вільного падіння не залежить від маси та розмірів тіла та,

по-друге, Зі збільшенням висоти над Землею прискорення вільного падіння зменшується. Наприклад, на висоті 297 км воно виявляється рівним не 9,8 м/с2, а 9 м/с2.

Зменшення прискорення вільного падіння означає, як і сила тяжкості зі збільшенням висоти над Землею також зменшується. Чим далі тіло знаходиться від Землі, тим слабше вона його притягує.

З формули (1.73) видно, що залежить від радіуса Землі R з.

Але через сплюснутість Землі в різних місцях має різне значення: воно зменшується в міру просування від екватора до полюса. На екваторі, наприклад, воно дорівнює 9,780 м/с 2 а на полюсі - 9,832 м/с 2 . Крім того, місцеві значення g можуть відрізнятися від їх середніх значень g ср через неоднорідну будову земної кори і надр, гірських масивів і западин, а також покладів корисних копалин. Різниця значень g і g ср називають гравітаційними аномаліями:

Позитивні аномалії Δg >0 часто свідчать про поклади металевих руд, а негативні Δg<0– о залежах лёгких полезных ископаемых, например нефти и газа.

Метод визначення покладів корисних копалин за точним виміром прискорення вільного падіння широко застосовується на практиці і носить назву гравіметричної розвідки.

Цікавою особливістю гравітаційного поля, яку не мають електромагнітні поля, є його всепроникна здатність. Якщо від електричних та магнітних полів можна захиститись за допомогою спеціальних металевих екранів, то від гравітаційного поля захиститися нічим не можна: воно проникає крізь будь-які матеріали.

Гравітація - наймогутніша сила у Всесвіті, одна з чотирьох фундаментальних основ світобудови, що визначає його структуру. Колись завдяки їй виникли планети, зірки та цілі галактики. Сьогодні вона утримує на орбіті Землю у її нескінченній подорожі навколо Сонця.

Тяжіння має велике значення і для повсякденного життя людини. Завдяки цій невидимій силі пульсують океани нашого світу, течуть річки, краплі дощу падають на землю. Ми з дитинства відчуваємо вагу свого тіла та навколишніх предметів. Величезний вплив гравітації і на нашу господарську діяльність.

Першу теорію гравітації було створено Ісааком Ньютоном наприкінці XVII століття. Його Закон всесвітнього тяжіння визначає цю взаємодію в рамках класичної механіки. Широко цей феномен був викладений Ейнштейном у його загальній теорії відносності, що побачила світ на початку минулого століття. Процеси, що відбуваються з силою тяжіння на рівні елементарних частинок, повинна пояснити квантова теорія гравітації, але її ще належить створити.

Сьогодні ми знаємо про природу гравітації набагато більше, ніж у часи Ньютона, але, незважаючи на століття вивчення, вона все ще залишається справжнім каменем спотикання сучасної фізики. У існуючій теорії гравітації є безліч білих плям, і ми досі не розуміємо, що її породжує, і як відбувається перенесення цієї взаємодії. І, звичайно, ми дуже далекі від можливості керувати силою тяжіння, так що антигравітація або левітація ще довго існуватимуть тільки на сторінках фантастичних романів.

Що ж упало на голову Ньютона?

Про природу сили, яка притягує предмети до землі, люди замислювалися у всі часи, але відкрити завісу таємниці вдалося лише в XVII столітті Ісааку Ньютону. Основу його прориву заклали праці Кеплера і Галілея – блискучих учених, вивчали руху небесних тіл.

Ще півтора століття до ньютоновського Закону всесвітнього тяжіння польський астроном Коперник вважав, що тяжіння - це «…не що інше, як природне прагнення, яким батько Всесвіту обдарував усі частинки, а саме з'єднуватися в одне спільне ціле, утворюючи тіла кулястої форми». Декарт же вважав тяжіння наслідком обурень у світовому ефірі. Грецький філософ та вчений Аристотель був упевнений, що маса впливає на швидкість падіння тіл. І лише Галілео Галілей наприкінці XVI століття довів, що це не так: якщо відсутня опір повітря, всі об'єкти прискорюються однаково.

Всупереч поширеній легенді про голову та яблуко, Ньютон йшов до розуміння природи гравітації понад двадцять років. Його закон гравітації – одне з найзначніших наукових відкриттів усіх часів та народів. Він універсальний і дозволяє обчислювати траєкторії небесних тіл і точно описує поведінку навколишніх предметів. Класична теорія тяжіння заклала основи небесної механіки. Три закони Ньютона дали вченим можливість відкривати нові планети буквально «на кінчику пера», зрештою завдяки їм людина змогла подолати земну гравітацію та здійснити політ у космос. Вони підвели сувору наукову базу під філософську концепцію про матеріальну єдність світобудови, в якій всі природні явища взаємопов'язані та керуються загальними фізичними правилами.

Ньютон не просто опублікував формулу, що дозволяє вирахувати, чому дорівнює сила, що притягує тіла один до одного, він створив цілісну модель, до якої також увійшов математичний аналіз. Дані теоретичні висновки були неодноразово підтверджені на практиці, в тому числі за допомогою найсучасніших методів.

У ньютонівській теорії будь-який матеріальний об'єкт породжує поле тяжіння, яке називається гравітаційним. Причому сила пропорційна масі обох тіл і обернено пропорційна відстані між ними:

F = (G m1 m2)/r2

G – це гравітаційна стала, яка дорівнює 6,67×10−11 м³/(кг·с²). Першим її зміг вирахувати Генрі Кавендіш у 1798 році.

У повсякденному житті та в прикладних дисциплінах про силу, з якою земля притягує тіло, говорять як про його вагу. Тяжіння між двома будь-якими матеріальними об'єктами у Всесвіті – ось що таке гравітація простими словами.

Сила тяжіння – найслабше з чотирьох фундаментальних взаємодій фізики, але завдяки своїм особливостям вона здатна регулювати рух зіркових систем та галактик:

  • Притягнення працює на будь-яких відстанях, у цьому головна відмінність сили тяжіння від сильної та слабкої ядерної взаємодії. Зі збільшенням відстані його дія зменшується, але вона ніколи не стає рівним нулю, тому можна сказати, що взаємний вплив мають навіть два атоми, що знаходяться на різних кінцях галактики. Просто воно дуже мало;
  • Гравітація є універсальною. Поле тяжіння притаманне будь-якому матеріальному тілу. Вчені поки не виявили на нашій планеті або в космосі об'єкт, який не брав участь у взаємодії даного типу, тому роль гравітації в житті Всесвіту величезна. Цим тяжіння відрізняється від електромагнітної взаємодії, вплив якого на космічні процеси мінімальний, оскільки в природі більшість тіл електрично нейтральні. Гравітаційні сили не можна обмежити чи екранувати;
  • Тяжіння діє як на матерію, а й у енергію. Для нього не має жодного значення хімічний склад об'єктів, грає роль лише їхня маса.

Використовуючи ньютонівську формулу, силу тяжіння можна легко розрахувати. Наприклад, гравітація на Місяці в кілька разів менша за земну, тому що наш супутник має порівняно невелику масу. Але її достатньо для формування у Світовому океані регулярних припливів та відливів. На Землі прискорення вільного падіння дорівнює приблизно 9,81 м/с2. Причому на полюсах воно дещо більше, ніж на екваторі.

Незважаючи на величезне значення для подальшого розвитку науки, ньютонівські закони мали цілу низку слабких місць, які не давали спокою дослідникам. Було незрозуміло, як діє гравітація через абсолютно порожній простір на величезні відстані, причому з незбагненною швидкістю. Крім того, поступово стали накопичуватися дані, які суперечили законам Ньютона: наприклад, гравітаційний парадокс або усунення перигелія Меркурія. Стало очевидним, що теорія всесвітнього тяжіння потребує доопрацювання. Ця честь випала частку геніального німецького фізика Альберта Ейнштейна.

Тяжіння і теорія відносності

Відмова Ньютона обговорювати природу гравітації («Я гіпотез не вигадую») була очевидною слабкістю його концепції. Не дивно, що в наступні роки з'явилося багато теорій гравітації.

Більшість із них належали до так званих гідродинамічних моделей, які намагалися обґрунтувати виникнення тяжіння механічною взаємодією матеріальних об'єктів з якоюсь проміжною субстанцією, що має ті чи інші властивості. Дослідники називали її по-різному: "вакуум", "ефір", "потік гравітонів" і т. д. У цьому випадку сила тяжіння між тілами виникала в результаті зміни цієї субстанції, при її поглинанні об'єктами або екранування потоків. Насправді всі подібні теорії мали один серйозний недолік: досить точно передбачаючи залежність гравітаційної сили від відстані, вони мали призводити до гальмування тіл, які рухалися щодо «ефіру» або «потоку гравітонів».

Ейнштейн підійшов до вирішення цього питання з іншого боку. У його загальній теорії відносності (ОТО) гравітація сприймається не як взаємодія сил, бо як властивість самого простору-часу. Будь-який об'єкт, що має масу, призводить до його викривлення, що і викликає тяжіння. І тут гравітація – це геометричний ефект, що у рамках неевклидовой геометрії.

Простіше кажучи, просторово-часовий континуум впливає на матерію, зумовлюючи її рух. А та, своєю чергою, впливає простір, «вказуючи» йому, як викривлятися.

Сили тяжіння діють і в мікросвіті, але на рівні елементарних частинок їх вплив, порівняно з електростатичною взаємодією, є мізерним. Фізики вважають, що гравітаційна взаємодія не поступалася іншим у перші миті (10 -43 сек.) після Великого вибуху.

В даний час концепція гравітації, запропонована в загальній теорії відносності, є основною робочою гіпотезою, прийнятою більшістю наукової спільноти та підтвердженою результатами численних дослідів.

Ейнштейн у своїй роботі передбачав дивовижні ефекти гравітаційних сил, більшість із яких вже знайшла підтвердження. Наприклад, можливість масивних тіл викривляти світлові промені і навіть уповільнювати перебіг часу. Останній феномен обов'язково враховується при роботі глобальних супутникових систем навігації, таких як ГЛОНАСС та GPS, інакше через кілька діб їхня похибка становила б десятки кілометрів.

Крім того, наслідком теорії Ейнштейна є так звані тонкі ефекти гравітації, такі як гравімагнітне поле та захоплення інерційних систем відліку (він ефект Лензе-Тіррінга). Ці прояви сили тяжіння настільки слабкі, що тривалий час їх було неможливо виявити. Лише у 2005 році завдяки унікальній місії НАСА Gravity Probe B було підтверджено ефект Лензе-Тіррінга.

Гравітаційне випромінювання або фундаментальне відкриття останніх років

Гравітаційні хвилі – це коливання геометричної просторово-часової структури, що поширюються зі швидкістю світла. Існування цього феномена також було передбачено Ейнштейном в ОТО, але через слабкість сили тяжіння його величина дуже мала, тому довгий час його не могли виявити. На користь існування випромінювання говорили лише непрямі свідчення.

Подібні хвилі генерують будь-які матеріальні об'єкти, що рухаються з асиметричним прискоренням. Вчені описують їх як «брижі простору-часу». Найбільш потужними джерелами такого випромінювання є галактики, що зіштовхуються, і колапсуючі системи, що складаються з двох об'єктів. Типовий приклад останнього випадку - злиття чорних дірок або нейтронних зірок. При таких процесах гравітаційне випромінювання може переходити понад 50% від загальної маси системи.

Гравітаційні хвилі вперше було виявлено у 2015 році за допомогою двох обсерваторій LIGO. Практично відразу ця подія набула статусу найбільшого відкриття у фізиці за останні десятиліття. У 2017 році за нього було присуджено Нобелівську премію. Після цього вченим ще кілька разів вдавалося фіксувати гравітаційне випромінювання.

Ще у 70-ті роки минулого століття – задовго до експериментального підтвердження – вчені пропонували використовувати гравітаційне випромінювання для здійснення телекомунікації. Його безперечна перевага – це висока здатність проходити крізь будь-які речовини, не поглинаючись. Але в даний час це навряд чи можливо, тому що існують величезні труднощі із генерацією та прийомом цих хвиль. Та й реальних знань щодо природи гравітації в нас поки що недостатньо.

Сьогодні в різних країнах світу працює кілька установок, подібних до LIGO і будуються нові. Ймовірно, що найближчим часом про гравітаційне випромінювання ми дізнаємося більше.

Альтернативні теорії всесвітнього тяжіння та причини їх створення

На даний момент домінуючою концепцією гравітації є ВТО. З нею узгоджується весь наявний масив експериментальних даних та спостережень. Водночас вона має велику кількість відверто слабких місць та спірних моментів, тому спроби створення нових моделей, що пояснюють природу гравітації, не припиняються.

Всі, розроблені на даний момент теорії всесвітнього тяжіння можна розбити на кілька основних груп:

  • стандартні;
  • альтернативні;
  • квантові;
  • теорія єдиного поля.

Спроби створення нової концепції всесвітнього тяжіння робилися ще XIX столітті. Різні автори включали до неї ефір чи корпускулярну теорію світла. Але поява ВТО поставила крапку на цих дослідженнях. Після її публікації мета вчених змінилася - тепер їх зусилля були спрямовані на покращення моделі Ейнштейна, включення до неї нових природних явищ: спина частинок, розширення Всесвіту та ін.

До початку 80-х років фізики експериментальним шляхом відкинули всі концепції, за винятком тих, які включали ОТО як невід'ємну частину. У цей час у моду увійшли «струнні теорії», що виглядали дуже перспективно. Але досвідченого підтвердження ці гіпотези не знайшли. За останні десятиліття наука досягла значних висот і нагромадила величезний масив емпіричних даних. Сьогодні спроби створити альтернативні теорії гравітації надихаються переважно космологічними дослідженнями, пов'язаними з такими поняттями, як «темна матерія», «інфляція», «темна енергія».

Однією з головних завдань сучасної фізики є об'єднання двох фундаментальних напрямів: квантової теорії та ВТО. Вчені прагнуть пов'язати тяжіння з іншими видами взаємодій, створивши таким чином теорію всього. Саме цим і займається квантова гравітація – розділ фізики, який намагається дати квантовий опис гравітаційної взаємодії. Відгалуженням цього напряму є теорія петльової гравітації.

Незважаючи на активні та багаторічні зусилля, досягти цієї мети поки що не вдається. І річ навіть не в складності цього завдання: просто в основі квантової теорії та ВТО лежать абсолютно різні парадигми. Квантова механіка працює з фізичними системами, що діють на тлі звичайного простору-часу. А теоретично відносності саме простір-час - це динамічна складова, яка залежить від параметрів класичних систем, що у ній.

Поряд із науковими гіпотезами всесвітнього тяжіння, існують і теорії, дуже далекі від сучасної фізики. На жаль, останніми роками подібні «опуси» просто заполонили інтернет та полиці книгарень. Деякі автори таких робіт взагалі повідомляють читачеві, що гравітації не існує, а закони Ньютона та Ейнштейна – це вигадки та містифікації.

Прикладом можуть бути праці «вченого» Миколи Левашова, які стверджують, що Ньютон не відкривав закон всесвітнього тяжіння, а гравітаційною силою в Сонячній системі мають лише планети і наш супутник Місяць. Докази цього «російського вченого» наводить досить дивні. Одним із них є політ американського зонда NEAR Shoemaker до астероїда Ерос, що відбувся у 2000 році. Відсутність тяжіння між зондом і небесним тілом Левашов вважає доказом хибності праць Ньютона та змови фізиків, які приховують від людей правду про гравітацію.

Насправді космічний апарат успішно виконав свою місію: спочатку вийшов на орбіту астероїда, а потім здійснив на його поверхні м'яку посадку.

Штучна гравітація і для чого вона потрібна

З силою тяжкості пов'язані два поняття, які, незважаючи на свій поточний теоретичний статус, добре відомі широкому загалу. Це антигравітація та штучна гравітація.

Антигравітація – процес протидії силі тяжіння, здатний суттєво зменшити її чи навіть замінити відштовхуванням. Опанування такої технології призвело б до реальної революції в транспорті, авіації, дослідженні космічного простору і кардинально змінило все наше життя. Але нині можливість антигравітації немає навіть теоретичного підтвердження. Більше того, виходячи з ОТО, подібний феномен і зовсім не здійснимо, тому що в нашому Всесвіті не може бути негативної маси. Можливо, що в майбутньому ми дізнаємося про тяжіння більше та навчимося будувати літальні апарати на основі цього принципу.

Штучна сила тяжкості – це рукотворна зміна існуючої гравітаційної сили. Сьогодні подібна технологія нам не надто потрібна, але ситуація однозначно зміниться після початку довгострокових космічних подорожей. І справа полягає у нашій фізіології. Тіло людини, «привчене» мільйонами років еволюції до постійної гравітації Землі, вкрай негативно сприймає вплив зниженої сили тяжіння. Тривале перебування навіть в умовах місячної гравітації (вшестеро слабше земної) може призвести до сумних наслідків. Ілюзію тяжіння можна створювати з допомогою інших фізичних сил, наприклад, інерції. Однак подібні варіанти складні та дорого коштують. На даний момент штучна гравітація не має навіть теоретичних обґрунтувань, очевидно, що її можлива практична реалізація – справа дуже віддаленого майбутнього.

Сила тяжіння - це поняття, відоме кожному ще зі шкільної лави. Здавалося б, вчені мали досконало дослідити цей феномен! Але гравітація і залишається глибокої таємницею для сучасної науки. І це можна назвати чудовим прикладом того, наскільки обмежені знання людини про наш величезний і чудовий світ.

Якщо у вас виникли питання – залишайте їх у коментарях під статтею. Ми чи наші відвідувачі з радістю відповімо на них

Випадкові статті

Вгору