Siły grawitacyjne: definicja, wzór, typy

Na pytanie "Czym jest siła?", Fizyka odpowiada w następujący sposób: "Siła jest miarą interakcji materialnych ciał między sobą lub między ciałami a innymi materialnymi obiektami - fizycznymi polami." Wszystkie siły natury można przypisać do czterech podstawowych rodzajów interakcji: silnego, słabego, elektromagnetycznego i grawitacyjnego. Nasz artykuł mówi o tym, jakie są siły grawitacyjne - miara tego ostatniego i, być może, najbardziej rozpowszechnionego w naturze typu tych interakcji.

Zacznijmy od przyciągania ziemi

Każdy żyjący wie, że istnieje siła, która przyciąga przedmioty na ziemię. Zwykle określa się go mianem grawitacji, grawitacji lub grawitacji. Ze względu na swoją obecność u ludzi wyłoniły się pojęcia "góra" i "dół", które określają kierunek ruchu lub lokalizacji czegoś względem powierzchni Ziemi. Tak więc w konkretnym przypadku na powierzchni ziemi lub w jej pobliżu manifestują się siły grawitacyjne, które przyciągają do siebie obiekty posiadające masę, przejawiające swoje działanie w dowolnych małych lub bardzo dużych odległościach, nawet według norm kosmicznych.

Grawitacja i trzecie prawo Newtona

Jak dobrze wiadomo, każda siła, jeśli jest uważana za miarę interakcji ciał fizycznych, jest zawsze stosowana do każdego z nich. Tak więc w grawitacyjnym oddziaływaniu ciał ze sobą, każdy z nich doświadcza takich rodzajów sił grawitacyjnych, które są spowodowane wpływem każdego z nich. Jeśli istnieją tylko dwa ciała (zakłada się, że działanie wszystkich pozostałych można zaniedbać), to każdy z nich, zgodnie z trzecim prawem Newtona, przyciągnie inne ciało o tej samej sile. Zatem Księżyc i Ziemia przyciągają się nawzajem, powodując odpływ i przepływ ziemskich mórz.

Każda planeta w układzie słonecznym doświadcza kilku przyciągających sił od Słońca i innych planet. Oczywiście siła przyciągania Słońca determinuje kształt i wielkość swojej orbity, ale astronomowie biorą również pod uwagę wpływ innych ciał niebieskich na trajektorie ich ruchu.

Co szybko spada na ziemię z wysokości?

Główną cechą tej siły jest to, że wszystkie obiekty spadają na ziemię z jedną prędkością, niezależnie od ich masy. Raz, aż do XVI wieku, wierzono, że jest odwrotnie - cięższe ciała powinny opaść szybciej niż lekkie. Aby rozwiać to błędne przekonanie, Galileo Galileo musiał wykonać swoje słynne doświadczenie polegające na jednoczesnym upuszczeniu dwóch kul armatnich o różnych masach z nachylonej wieży w Pizie. Wbrew oczekiwaniom świadków eksperymentu oba jądra docierały do ​​powierzchni jednocześnie. Dzisiaj każdy uczeń wie, że stało się tak dlatego, że siła grawitacji komunikuje się z każdym ciałem z takim samym przyspieszeniem swobodny spadek g = 9,81 m / s ² niezależnie od masy m tego ciała, a jego wartość zgodnie z drugim prawem Newtona wynosi F = mg.

Siły grawitacyjne na Księżycu i na innych planetach mają inne znaczenie tego przyspieszenia. Jednak charakter działania grawitacji na nich jest taki sam.

Grawitacja i masa ciała

Jeżeli pierwsza siła jest przyłożona bezpośrednio do samego ciała, to druga siła do podparcia lub zawieszenia. W tej sytuacji siły sprężyste zawsze działają na ciała od strony podpór i zawieszeń. Siły grawitacyjne zastosowane do tych samych ciał działają w ich kierunku.

Wyobraź sobie ładunek zawieszony nad podłożem na sprężynie. Przyłożono do niego dwie siły: sprężystą siłę naprężonej sprężyny i siłę grawitacji. Zgodnie z trzecim prawem Newtona obciążenie działa na sprężynę o sile równej i przeciwnej do siły sprężystości. Ta moc będzie jego wagą. Dla ciężaru 1 kg ciężar wynosi P = 1 kg ∙ 9,81 m / s ² = 9,81 N (niuton).

Siły grawitacyjne: definicja

Pierwszą ilościową teorię grawitacji, opartą na obserwacjach ruchu planet, sformułował Isaac Newton w 1687 r. W słynnym "Początku filozofii naturalnej". Napisał, że siły przyciągania działające na słońce i planety zależą od ilości materii, którą zawierają. Oni są rozłożone na duże odległości i zawsze zmniejszać się jako odwrotność kwadratu odległości. Jak można obliczyć te siły grawitacyjne? Wzór na siłę F między dwoma obiektami o masach m ₁ i m ₂ znajdujących się w odległości r jest następujący:

• F = Gm ₁ m ₂ / r ² ,
  gdzie G jest stałą proporcjonalności, stała grawitacyjna.

Mechanizm fizycznego grawitacji

Newton nie był w pełni usatysfakcjonowany swoją teorią, ponieważ zakładał interakcję między przyciąganiem ciał na odległość. Sam wielki Anglik był przekonany, że musi istnieć jakiś agent fizyczny odpowiedzialny za przenoszenie działań jednego ciała na drugie, co wyraźnie wyraził w jednym z jego listów. Ale czas, w którym wprowadzono pojęcie pola grawitacyjnego, które przenika całą przestrzeń, nastąpił dopiero po czterech wiekach. Dzisiaj, mówiąc o grawitacji, możemy mówić o oddziaływaniu dowolnego (kosmicznego) ciała z grawitacyjnym polem innych ciał, którego miarą są siły grawitacyjne powstające pomiędzy każdą parą ciał. Prawo świata, sformułowane przez Newtona w powyższej formie, pozostaje prawdziwe i jest potwierdzone wieloma faktami.

Teoria grawitacji i astronomii

Z powodzeniem zastosowano ją do rozwiązywania problemów mechaniki niebieskiej w XVIII i na początku XIX wieku. Na przykład matematycy D. Adams i U. Le Verrier, analizujący naruszenia orbity Urana, sugerowali, że działają na nią siły grawitacyjne interakcji z jeszcze nieznaną planetą. Wskazali swoją planowaną pozycję, a wkrótce Neptuna odkrył tam astronom I. Galle.

Chociaż był jeden problem. Le Verrier w 1845 r. Obliczył, że orbita Merkurego wyprzedza 35 "na wiek, w przeciwieństwie do zerowej wartości tego precesji uzyskanej zgodnie z teorią Newtona. Kolejne pomiary dały dokładniejszą wartość 43 ". (Obserwowana precesja to rzeczywiście 570 "/ wiek, ale żmudne obliczenia, które pozwalają odjąć wpływ od wszystkich innych planet, daje wartość 43" ".)

Dopiero w 1915 r. Albert Einstein zdołał wyjaśnić tę rozbieżność w ramach stworzonej przez siebie teorii grawitacji. Okazało się, że masywne Słońce, jak każde inne masywne ciało, wygina czasoprzestrzeń w jego pobliżu. Efekty te powodują odchylenia na orbitach planet, ale w Merkurym, jako najmniejszej i najbliższej planecie naszej gwiazdy, manifestują się one najsilniej.

Masy inercyjne i grawitacyjne

Jak wspomniano powyżej, Galileo jako pierwszy zaobserwował, że obiekty spadają na ziemię z tą samą prędkością, niezależnie od ich masy. W formułach Newtona pojęcie masy pochodzi z dwóch różnych równań. Jego drugie prawo mówi, że siła F zastosowana do ciała o masie m daje przyspieszenie zgodnie z równaniem F = ma.

Jednak siła grawitacji F przyłożona do ciała spełnia formułę F = mg, gdzie g zależy od drugiego ciała wchodzącego w interakcję z podmiotem (Ziemia zwykle, gdy mówimy o grawitacji). W obu równaniach m jest współczynnikiem proporcjonalności, ale w pierwszym przypadku jest to masa bezwładna, w drugim - grawitacja i nie ma oczywistego powodu, aby były one takie same dla dowolnego obiektu fizycznego.

Jednak wszystkie eksperymenty pokazują, że to prawda.

Teoria grawitacji Einsteina

Przyjął fakt równości mas inercyjnych i grawitacyjnych jako punkt wyjścia dla swojej teorii. Udało mu się skonstruować równania pola grawitacyjnego, słynne równania Einsteina, a przy ich pomocy obliczyć prawidłową wartość precesji orbity Merkurego. Dają one również zmierzone ugięcie promieni świetlnych, które przechodzą blisko Słońca, i nie ma wątpliwości, że wynikają z nich właściwe wyniki dla makroskopowej grawitacji. Teoria grawitacji Einsteina, lub ogólna teoria względności (GTR), jak sam to określił, jest jednym z największych triumfów współczesnej nauki.

Siły grawitacyjne - czy przyspieszenie?

Jeśli nie można odróżnić masy bezwładnej od masy grawitacyjnej, wówczas nie można rozróżnić między grawitacją a przyspieszeniem. Eksperyment w polu grawitacyjnym może być zamiast tego wykonywany w przyspieszonej windie przy braku grawitacji. Kiedy astronauta w rakiecie przyspiesza, oddalając się od ziemi, doświadcza grawitacji, która jest kilka razy większa od ziemi, a przytłaczająca jej część pochodzi z przyspieszenia.

Jeśli nikt nie jest w stanie odróżnić grawitacji od przyspieszenia, to pierwsze zawsze można odtworzyć przez przyspieszenie. Układ, w którym przyspieszenie zastępuje grawitację, nazywany jest bezwładnością. Dlatego księżyc na orbicie ziemskiej można również uznać za system inercyjny. Jednak ten system będzie się różnić od punktu do punktu, ponieważ zmienia się pole grawitacyjne. (W przykładzie Księżyca pole grawitacyjne zmienia kierunek z jednego punktu do drugiego.) Zasada, że ​​system bezwładności można zawsze znaleźć w dowolnym punkcie przestrzeni i czasu, w którym fizyka jest posłuszna prawom w nieobecności grawitacji, nazywa się zasadą równoważności.

Grawitacja jako przejaw geometrycznych własności czasoprzestrzeni

Fakt, że siły grawitacyjne można uważać za przyspieszenia w bezwładnościowych układach współrzędnych, które różnią się od punktu do punktu, oznacza, że ​​grawitacja jest pojęciem geometrycznym.

Mówimy, że czasoprzestrzeń jest wygięta. Rozważ kulę na płaskiej powierzchni. Odpocznie lub, jeśli nie będzie tarcia, porusza się równomiernie bez oddziaływania siły na niego. Jeśli powierzchnia zgina się, piłka przyspiesza i przesuwa się do najniższego punktu, wybierając najkrótszą ścieżkę. Podobnie, teoria Einsteina stwierdza, że ​​czterowymiarowa czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, a ciało porusza się w tej zakrzywionej przestrzeni wzdłuż linii geodezyjnej, która odpowiada najkrótszej ścieżce. Dlatego pole grawitacyjne i siły grawitacyjne działające na ciało fizyczne w nim zawarte są wielkościami geometrycznymi, które zależą od właściwości czasoprzestrzeni, która zmienia się najmocniej w pobliżu masywnych ciał.