Гравитационни сили: определение, формула, видове

На въпроса "Какво е сила?", Физиката отговаря, както следва: "Силата е мярка за взаимодействието на материалните тела между тях или между тела и други материални обекти - физически полета." Всички сили в природата могат да бъдат приписани на четирите основни типа взаимодействия: силни, слаби, електромагнитни и гравитационни. Нашата статия говори за гравитационните сили - мярка за последното и може би за най-разпространеното в природата вид на тези взаимодействия.

Да започнем с привличането на земята

Всеки, който живее, знае, че има сила, която привлича предмети на земята. Обикновено се нарича гравитация, гравитация или гравитация. Благодарение на присъствието си в хората, се появяват понятията „отгоре“ и „дъното“, които определят посоката на движение или местоположението на нещо, свързано с земната повърхност. Така в конкретен случай, на повърхността на Земята или в близост до нея, гравитационните сили се проявяват, които привличат обекти, имащи маса, един към друг, проявявайки своето действие на всякакви малки или много големи разстояния, дори чрез космически стандарти.

Гравитация и третият закон на Нютон

Както е добре известно, всяка сила, ако се разглежда като мярка за взаимодействието на физическите тела, винаги се прилага към всяка от тях. Така в гравитационното взаимодействие на телата помежду си всеки от тях преживява такива видове гравитационни сили, които са причинени от влиянието на всяка от тях. Ако има само две тела (предполага се, че действието на всички останали може да бъде пренебрегнато), тогава всеки от тях, според третия закон на Нютон, ще привлече друго тяло със същата сила. Така Луната и Земята се привличат взаимно, което води до отлив и изтичане на земните морета.

Всяка планета в Слънчевата система изпитва няколко привлекателни сили от Слънцето и други планети. Разбира се, силата на привличането на Слънцето определя формата и размера на орбитата му, но астрономите вземат под внимание и влиянието на други небесни тела в техните траектории на тяхното движение.

Какво бързо пада на земята от височина?

Основната характеристика на тази сила е, че всички обекти падат на земята с една скорост, независимо от тяхната маса. Веднъж до 16-ти век се смяташе, че е вярно обратното - по-тежките тела трябва да падат по-бързо от леките. За да се разсее това погрешно схващане, Галилео Галилео трябваше да изпълни известния си опит да пусне едновременно две пушки с различни тегла от наклонена кула в Пиза. Противно на очакванията на свидетелите на експеримента, и двете ядра достигат повърхността едновременно. Днес всеки ученик знае, че това се е случило поради факта, че силата на гравитацията комуникира с всяко тяло със същото ускорение. свободно падане g = 9,81 m / s ² независимо от масата m на това тяло, а стойността му съгласно втория закон на Нютон е F = mg.

Гравитационните сили на Луната и на други планети имат различни значения на това ускорение. Въпреки това, естеството на действието на гравитацията върху тях е същото.

Гравитация и телесно тегло

Ако първата сила е приложена директно към самото тяло, то втората към нейната опора или окачване. В тази ситуация еластичните сили действат винаги върху телата от страната на опорите и окачването. Гравитационни сили, приложени към същите органи, действат към тях.

Представете си един товар, окачен над земята на пружина. Към него се прилагат две сили: еластичната сила на опънатата пружина и силата на гравитацията. Според третия закон на Нютон, натоварването действа върху пружина със сила, равна на и противоположна на силата на еластичност. Тази сила ще бъде неговата тежест. За тегло от 1 kg, теглото е P = 1 kg 9.81 m / s ² = 9.81 N (нютон).

Гравитационни сили: определение

Първата количествена теория на гравитацията, основана на наблюденията на движението на планетите, е формулирана от Исак Нютон през 1687 г. в неговия прочут "Началото на естествената философия". Той пише, че силите на привличане, които действат на слънцето и планетите, зависят от количеството материя, която съдържат. Те са разпространяват се на големи разстояния и винаги намаляват като обратна на квадрата на разстоянието. Как могат да се изчислят тези гравитационни сили? Формулата за силата F между два обекта с маса m ₁ и m _2, разположена на разстояние r, е следната:

• F = Gm ₁ m ₂ / r ² ,
  където G е константата на пропорционалност, гравитационна константа.

Механизъм за физическа гравитация

Нютон не беше напълно удовлетворен от неговата теория, тъй като приемаше взаимодействието между привличащите органи на разстояние. Самият велик англичанин беше убеден, че трябва да има някакъв физически агент, отговорен за прехвърлянето на действията на едно тяло в друго, което той съвсем ясно изрази в едно от писмата си. Но времето, в което е въведено понятието за гравитационно поле, което пронизва цялото пространство, дойде само след четири века. Днес, говоря за гравитацията, можем да говорим за взаимодействието на всяко (космическо) тяло с гравитационното поле на други тела, чиято мярка е гравитационните сили, възникващи между всяка двойка тела. Законът на света, формулирана от Нютон в горната форма, остава вярна и се потвърждава от много факти.

Теория на тежестта и астрономията

Много успешно се прилага при решаване на проблемите на небесната механика през XVIII и началото на XIX век. Например, математиците Д. Адамс и У. Ле Верие, анализирайки нарушенията на орбитата на Уран, предположиха, че върху него действат гравитационни сили на взаимодействие с все още неизвестна планета. Те посочиха предназначението му и скоро Нептун бе открит там от астроном И. Галле.

Въпреки че имаше един проблем. Le Verrier през 1845 г. изчислява, че орбитата на Меркурий прецежда 35 ”за век, за разлика от нулевата стойност на тази прецесия, получена съгласно теорията на Нютон. Последващите измервания дават по-точна стойност 43 ''. (Наблюдаваната прецесия е действително 570 "/ век, но щателно изчисление, което ви позволява да изваждате влиянието от всички други планети, дава стойност от 43".

Едва през 1915 г. Алберт Айнщайн успява да обясни това несъответствие в рамките на създадената от него теория за гравитацията. Оказа се, че масивното Слънце, както всяко друго масивно тяло, огъва пространството-време в околността. Тези ефекти причиняват отклонения в орбитите на планетите, но в Меркурий, като най-малката и най-близката планета на нашата звезда, те се проявяват най-силно.

Инерционни и гравитационни маси

Както беше отбелязано по-горе, Галилео първи забеляза, че обектите падат на земята със същата скорост, независимо от тяхната маса. В формулите на Нютон понятието за маса идва от две различни уравнения. Вторият му закон казва, че силата F, приложена към тяло с маса m, дава ускорение съгласно уравнението F = ma.

Въпреки това, силата на тежестта F, приложена към тялото, удовлетворява формулата F = mg, където g зависи от взаимодействието на другото тяло с субекта (земята обикновено, когато говорим за гравитацията). И в двете уравнения m е коефициентът на пропорционалност, но в първия случай е инерционна маса, а във втория - гравитационна, и няма очевидна причина, че те трябва да бъдат еднакви за всеки физически обект.

Въпреки това, всички експерименти показват, че това е вярно.

Теорията на Айнщайн за гравитацията

Той прие факта на равенството на инерционните и гравитационните маси като отправна точка за своята теория. Той успя да конструира уравненията на гравитационното поле, известните уравнения на Айнщайн и с тяхна помощ да изчисли правилната стойност за прецесията на орбитата на Меркурий. Те също дават измереното отклонение на светлинните лъчи, които преминават в близост до слънцето, и няма съмнение, че от тях следват правилните резултати за макроскопска гравитация. Теорията на Айнщайн за гравитацията, или обща теория на относителността (GTR), както той сам го нарича, е един от най-големите триумфи на съвременната наука.

Гравитационни сили - това е ускорение?

Ако не можете да различите инерционната маса от гравитационната маса, тогава не можете да различите гравитацията и ускорението. Експеримент в гравитационно поле може да бъде извършен в ускорен асансьор при липса на гравитация. Когато един астронавт в ракета ускори, отдалечавайки се от земята, той преживява гравитацията, която е няколко пъти по-голяма от земята, а огромната част от нея идва от ускорението.

Ако никой не може да различи гравитацията от ускорението, тогава първото винаги може да бъде възпроизведено чрез ускорение. Системата, в която ускорението замества гравитацията, се нарича инерция. Следователно, луната в земната орбита също може да се разглежда като инерционна система. Тази система обаче ще се различава от точка до точка, тъй като гравитационното поле се променя. (В примера на Луната гравитационното поле променя посоката от една точка към друга.) Принципът, че инерционната система винаги може да бъде намерена във всяка точка на пространството и времето, в което физиката се подчинява на законите в отсъствието на гравитация, се нарича принцип на еквивалентност.

Гравитацията като проявление на геометричните свойства на пространството-времето

Фактът, че гравитационните сили могат да се разглеждат като ускорения в инерционни координатни системи, които се различават от точка до точка, означава, че гравитацията е геометрична концепция.

Ние казваме, че пространството-време е изкривено. Помислете за топка върху равна повърхност. Той ще почива или, ако няма триене, ще се движи равномерно, без да действа сила върху него. Ако повърхността се огъва, топката ще се ускори и ще се придвижи до най-ниската точка, като избере най-късия път. Аналогично, теорията на Айнщайн твърди, че четириизмерното пространство-време е изкривено и тялото се движи в това извито пространство по геодезична линия, която съответства на най-краткия път. Следователно гравитационното поле и гравитационните сили, действащи върху физическите тела в него, са геометрични величини, които зависят от свойствата на пространственото време, които се променят най-силно в близост до масивни тела.