Gravitace - co to je? Tíha gravitace. Zemská gravitace

Lidstvo už dlouho myslí na to, jak funguje okolní svět. Proč se tráva zvětšuje, proč svítí slunce, proč bychom neměli létat helipem? Druhý mimochodem, vždycky byl pro lidi zvlášť zajímavý. Teď víme, že důvodem všeho je gravitace. Co to je a proč je tento jev tak důležitý v rozsahu vesmíru, budeme dnes zvažovat.

Úvod

Vědci zjistili, že všechny masivní orgány navzájem navzájem navštěvují. Následně se ukázalo, že tato tajemná síla určuje pohyb nebeských těles po jejich trvalých oběžných drahách. Stejná teorie gravitace formulovala brilantní Isaac Newton, jehož hypotézy předurčily vývoj fyziky po mnoho staletí. On rozvinul a pokračoval (i když úplně jiným směrem) toto učení Albert Einstein - jeden z největších myslí minulého století.

V průběhu staletí vědci pozorovali přitažlivost, snažili se ji pochopit a měřit. Konečně, v posledních několika desetiletích, dokonce i fenomén, jako je gravitace, byl uveden do služby lidstvu (samozřejmě v jistém smyslu). Co je to, co je definice pojmu v moderní vědě?

Vědecká definice

Pokud studujete díla starověkých myslitelů, zjistíte, že latinské slovo "gravitas" znamená "zatížení", "přitažlivost". Dnes vědci nazývají tuto univerzální a neustálou interakci mezi hmotnými těly. Pokud je tato síla relativně slabá a působí pouze na objekty, které se pohybují mnohem pomaleji rychlost světla, potom se na ně vztahuje Newtonova teorie. Pokud je situace obrácena, pak by měly být použity Einsteinovy ​​závěry.

Okamžitě provést rezervaci: V současné době není samozřejmě zcela samozřejmostí povaha gravitace. Stále ještě nevíme, co to je.

Newtonova a Einsteinova teorie

Podle klasického učení Isaaca Newtona jsou všechny těla navzájem přitahovány silou přímo úměrnou jejich hmotě, nepřímo úměrné čtverci vzdálenosti, která leží mezi nimi. Einstein argumentoval, že gravitace mezi objekty se projevuje v případě zakřivení prostoru a času (a zakřivení prostoru je možné jen tehdy, když je v něm nějaká záležitost).

Tato myšlenka byla velmi hluboká, ale moderní studie dokazují, že je poněkud nepřesná. Dnes se věří, že gravitace ve vesmíru ohýbá pouze prostor: čas může být brzděn a dokonce zastaven, ale realita změny tvaru hmotné záležitosti není teoreticky potvrzena. Proto klasická Einsteinova rovnice ani neposkytuje šanci, že prostor bude nadále ovlivňovat hmotu a vznikající magnetické pole.

Zákon o gravitaci (univerzální gravitaci) je více známý, jehož matematický výraz patří právě k Newtonovi:

[F = gama-frac [-1,2] {m_1 m_2} {r ^ 2} ]

By gama zřejmé gravitační konstanta (někdy symbol G), jehož hodnota se rovná 6,67545 x 10minus-11 msup3 - / (kgmiddot-s?).

Interakce elementárních částic

Neuvěřitelná složitost okolního prostoru je do značné míry spojena s nekonečným počtem elementárních částic. Mezi nimi existují také různé interakce na těch úrovních, které můžeme jen odhadnout. Nicméně všechny typy interakce elementárních částic se výrazně liší svou silou.

Nejsilnější ze všech známych sil jsou součástí atomového jádra. Chcete-li je odpojit, musíte strávit skutečně kolosální množství energie. Pokud jde o elektrony, jsou "spojeny" s jádrem pouze obyčejným elektromagnetické interakce. Chcete-li ji zastavit, někdy dost energie, která se objeví v důsledku nejběžnější chemické reakce. Gravitace (co to je, už víte) ve verzi atomů a subatomických částic je nejjednodušší druh interakce.

Gravitační pole je v tomto případě tak slabé, že je těžké si to představit. Jakkoli se to může zdát zvláštní, pohyb nebeských těl, jejichž hmota je někdy nemožné si představit, je "pozoruje". To vše je možné díky dvěma vlastnostem gravitace, které jsou zvláště výrazné u velkých fyzických těl:

• Na rozdíl od atomových sil je gravitační přitažlivost vnímána ve vzdálenosti od objektu. Takže zemská gravitace udrží i Měsíc ve svém oboru a podobná síla Jupitera snadno podporuje dráhy několika satelitů, z nichž každá je docela srovnatelná s pozemským!
• Kromě toho vždy přináší atraktivitu mezi objekty a s touto vzdáleností tato síla oslabuje při nízké rychlosti.

Tvorba více či méně harmonické gravitační teorie se objevila poměrně nedávno a to bylo právě z výsledků staletých pozorování pohybu planet a dalších nebeských těles. Úkol byl velmi usnadněn skutečností, že všichni se pohybují ve vakuu, kde neexistují žádné další možné interakce. Galileo a Kepler - dva vynikající astronomové té doby s cennými pozorováními pomohli připravit půdu pro nové objevy.

Jenže velký Izák Newton dokázal vytvořit první teorii gravitace a vyjádřit ji v matematické reprezentaci. Toto byl první zákon gravitace, jehož matematická reprezentace je uvedena výše.

Závěry Newtona a některých jeho předchůdců

Na rozdíl od jiných fyzických jevů, které existují ve světě kolem nás, gravitace se projevuje vždy a všude. Mělo by být zřejmé, že termín „nulová gravitace“, která se často vyskytuje v pseudo-vědeckých kruzích, to není správné: i stav beztíže v prostoru neznamená, že osoba nebo kosmická loď není platný přitažlivost hmotných objektů.

Navíc všechna hmotná tělesa mají určitou hmotnost, vyjádřenou ve formě síly, která se na ni aplikovala, a zrychlení získanou tímto činem.

Síly gravitace jsou proto úměrné hmotnosti předmětů. V numerickém smyslu mohou být vyjádřeny získáním produktu hmotností obou zvažovaných těles. Tato síla je přísně vystavena inverzní závislosti na čtverci vzdálenosti mezi objekty. Všechny ostatní interakce zcela závisí na vzdálenostech mezi oběma těly.

Mass jako základní kámen teorie

Hmotnost předmětů se stala zvláštním sporným bodem, kolem něhož je vybudována celá moderní teorie gravitace a relativity Einsteina. Pokud si pamatujete Druhý Newtonův zákon, pravděpodobně víte, že hmota je nepostradatelnou vlastností jakéhokoli tělesného hmotného těla. Ukazuje, jak se bude objekt chovat, pokud se na něj použije síla, bez ohledu na jeho původ.

Protože všechna těla (podle Newtona) jsou zrychlena působením vnějších sil, je hmotností, která určuje, jak velké bude toto zrychlení. Podívejme se na pochopitelnější příklad. Představte si koloběžku a autobus: pokud aplikujete naprosto stejnou sílu, dosáhnete stejných časů různou rychlostí. To vše vysvětluje teorii gravitace.

Jaký je vztah mezi hmotností a přitažlivostí?

Pokud hovoříme o gravitaci, pak hromada v tomto jevu hraje úplně opačnou roli, jako hra, která hraje s ohledem na sílu a zrychlení objektu. Je to primární zdroj samotné atrakce. Pokud vezmete dvě těla a uvidíte s jakou silou přitahují třetí objekt, který je umístěn ve stejných vzdálenostech od prvních dvou, bude poměr všech sil rovný poměru hmotností prvních dvou objektů. Síla přitažlivosti je tedy přímo úměrná hmotnosti těla.

Pokud zvažujete Newtonův třetí zákon, můžete si být jisti, že říká totéž. Tíha gravitace, která působí na dvě těla umístěná ve stejné vzdálenosti od zdroje přitažlivosti, přímo závisí na hmotnosti těchto objektů. V každodenním životě mluvíme o síle, s jakou je tělo přitahováno k povrchu planety jako k její hmotnosti.

Shrňme několik výsledků. Takže hmotnost je úzce spojena se silou a zrychlením. Současně je to ona, která určuje sílu, s níž přitahuje tělo.

Charakteristiky zrychlení těles v gravitačním poli

Tato úžasná dualita je důvod, proč v rovnoměrném gravitačním poli bude zrychlení zcela odlišných objektů stejné. Předpokládejme, že máme dvě těla. Jeden z nich přidělíme hmotnost z a druhý - Z. Oba objekty jsou spadlé na zem, kde volně spadají.

Jak je určen poměr síly přitažlivosti? Zobrazuje nejjednodušší matematický vzorec - z / Z. To je jen zrychlení, které dostanou v důsledku působení síly přitažlivosti, budou přesně stejné. Jednoduše řečeno, zrychlení těla v gravitačním poli nezávisí na jeho vlastnostech.

Co určuje zrychlení v tomto případě?

Záleží pouze na (!) Hmotnosti objektů, které vytvářejí toto pole, stejně jako na jejich prostorové poloze. Dvojitá role hmoty a rovnoměrné zrychlení různých těles v gravitačním poli byly objeveny poměrně dlouho. Tyto jevy získaly následující název: "Zásada ekvivalence". Tento termín opět zdůrazňuje, že akcelerace a setrvačnost jsou často ekvivalentní (do jisté míry samozřejmě).

Význam G

si pamatujeme ze školy fyziky samozřejmě, že gravitační zrychlení na povrchu naší planety (zemské gravitace) je 10 m / sek.² (9,8 samozřejmě, ale tato hodnota se používá pro snadnější výpočet). Pokud tedy nepřihlížíme k odporu vzduchu (ve významné výšce s malou vzdáleností), pak bude účinek dosažen, když tělo získá nárůst zrychlení o 10 m / s. každou vteřinu. Takže kniha, která spadla z druhého patra domu, se bude koncem letu pohybovat rychlostí 30-40 m / s. Jednoduše řečeno, 10 m / s je "rychlost" gravitace uvnitř Země.

Zrychlení volného pádu ve fyzické literatuře je označeno písmenem "g". Vzhledem k tomu, že tvar Země je do jisté míry mnohem spíše jako mandarinka než míč, hodnota této velikosti není ani zdaleka stejná ve všech regionech. Takže u pólů je zrychlení vyšší a na vrcholcích vysokých hor je menší.

Dokonce i v těžebním průmyslu nemění ani roli gravitace. Fyzika tohoto fenoménu může někdy ušetřit spoustu času. Geologové se tedy zvláště zajímají o ideální přesné určení g, protože to umožňuje průzkum a objev ložisek nerostů s výjimečnou přesností. Mimochodem, jak vypadá gravitační vzorec, v němž hraje důležitou roli množství, které uvažujeme? Zde je:

F = G × M1 × M2 / R2

Dávejte pozor! V tomto případě gravitační vzorec znamená "gravitační konstantu" pod G, jejíž hodnota jsme již uvedli výše.

Najednou formuloval Newton výše uvedené zásady. Dokonalé pochopil jak jednotu, tak univerzalitu gravitační síla, ale nemohl popsat všechny aspekty tohoto jevu. Tuto čest upadl Albert Einstein, který mohl také vysvětlit zásadu rovnocennosti. To je to, že lidstvo je povinné moderním porozuměním samotné podstaty prostorově-časového kontinua.

Teorie relativity, práce Alberta Einsteina

Ve dnech Isaaca Newtona se věřilo, že referenční body mohou být zastoupeny ve formě některých tuhých "prutů", kterými je umístěna poloha těla v systému prostorových souřadnic. Současně se předpokládalo, že všichni pozorovatelé, kteří označují tyto souřadnice, budou ve stejném čase prostor. V těchto letech bylo toto ustanovení považováno za tak zřejmé, že nebyly učiněny žádné pokusy o jeho zpochybnění ani doplnění. A to je pochopitelné, protože na naší planetě nejsou žádné odchylky v tomto pravidle.

Einstein dokázal, že přesnost měření by byla opravdu významná, kdyby se hypotetické hodiny pohybovaly mnohem pomaleji než rychlost světla. Jednoduše řečeno, pokud se jeden pozorovatel, který se pohybuje pomaleji než rychlost světla, bude následovat dvě události, nastanou pro něj najednou. Podle toho pro druhého pozorovatele? jejichž rychlost je stejná nebo vyšší, mohou se události vyskytovat v různých časech.

Ale jaká je síla gravitace spojená s teorií relativity? Tuto otázku podrobně rozbudíme.

Vztah mezi teorií relativity a gravitačními silami

V posledních letech se objevilo obrovské množství objevů v oblasti subatomických částic. Přesvědčíme, že se chystáme najít konečnou částečku, za kterou se náš svět nedokáže rozpadnout. Čím více je naléhavé, je třeba přesně zjistit, jak základní síly, které byly objeveny v minulém století a ještě dříve, měly vliv na nejmenší "cihly" našeho vesmíru. Zvláště je urážlivé, že samotná povaha gravitace ještě nebyla vysvětlena.

To je důvod, proč se Einstein, který stanovil "neschopnost" Newtonovy klasické mechaniky v daném oboru, se vědci zaměřili na úplné přehodnocení dříve získaných údajů. V mnoha ohledech byla revidována gravitace sama. Co je to na úrovni subatomických částic? Má v tomto úžasném multidimenzionálním světě nějaký význam?

Jednoduché řešení?

Zpočátku se mnozí domnívali, že rozdíl Newtonova gravitace a teorie relativity lze vysvětlit jednoduše, analogii z elektrodynamiky. Bylo by možné se domnívat, že gravitační pole se šíří jako magnetické pole, po kterém je možné vyhlásit „mediátor“ v interakcích nebeských těles, což vysvětluje mnohé nesrovnalosti na staré a nové teorie. Faktem je, že by se ho považovat za relativní rychlost šíření sil byly významně nižší světlo. Jak se tedy týká gravitace a času?

V podstatě se sám Einstein téměř podařil vybudovat relativistickou teorii na základě přesně takových názorů, avšak pouze jedna okolnost mu zabránila jeho záměru. Žádný z vědců té doby neměl vůbec žádné informace, které by mohly pomoci určit "rychlost" gravitace. Bylo však spousta informací o pohybech velkých mas. Jak víte, byly to všeobecně uznávaný zdroj vzniku silných gravitačních polí.

Velké rychlosti silně ovlivňují množství těles, a to vůbec není podobné interakci rychlosti a náboje. Čím vyšší je rychlost, tím větší je hmotnost těla. Problémem je, že druhá hodnota by se automaticky stala nekonečnou v případě pohybu s rychlostí světla nebo vyšším. A tak Einstein dospěl k závěru, že neexistuje gravitační pole, nýbrž tenzorové pole, pro popis kterého by se mělo používat mnoho dalších proměnných.

Jeho následovníci dospěli k závěru, že gravitace a čas jsou prakticky nesouvisející. Faktem je, že toto pole tenzoru samo o sobě může působit na vesmír, ale na chvíli to nemůže ovlivnit. Nicméně, geniální fyzika modernosti Stephena Hawkinga má jiný názor. Ale to je další příběh ...