Гравитационе силе: дефиниција, формула, типови

На питање "Шта је сила?", Физика одговара: "Сила је мера интеракције материјалних тела између себе или између тела и других материјалних објеката - физичких поља." Све силе у природи могу се приписати четирима основним типовима интеракција: јаким, слабим, електромагнетским и гравитационим. Наш чланак говори о томе које су гравитационе силе - мјера потоњег и, можда, најраширенија у природи тих интеракција.

Почнимо од привлачности земље

Сви који живе знају да постоји сила која привлачи објекте на земљу. Обично се назива гравитација, гравитација или гравитација. Због свог присуства у људима, појавили су се појмови "врх" и "дно", који одређују смер кретања или локацију нечега у односу на површину Земље. Дакле, у одређеном случају, на површини земље или близу ње, гравитационе силе се манифестују, које привлаче објекте који имају масу, међусобно, манифестујући своје деловање на било којој малој или веома великој удаљености, чак и космичким стандардима.

Гравитација и Њутнов трећи закон

Као што је познато, свака сила, ако се сматра мјером интеракције физичких тијела, увијек се примјењује на било коју од њих. Тако у гравитационој интеракцији тела једни са другима, свако од њих доживљава такве врсте гравитационих сила, које су проузроковане утицајем сваког од њих. Ако постоје само два тијела (претпоставља се да се може занемарити дјеловање свих других), онда ће сваки од њих, према трећем Њутновом закону, привући још једно тијело истом силом. Тако се Месец и Земља међусобно привлаче, што доводи до осеке и протока Земљиних мора.

Свака планета у Сунчевом систему доживљава неколико привлачних сила од Сунца и других планета. Наравно, сила привлачности Сунца одређује облик и величину своје орбите, али астрономи узимају у обзир и утицај других небеских тела у њиховим путањама кретања.

Шта брзо пада на земљу са висине?

Главна карактеристика ове силе је да сви објекти падну на земљу једном брзином, без обзира на њихову масу. Једном, све до 16. века, веровало се да је тачно супротно - тежа тела треба да падају брже од светлих. Да би растурио ову заблуду, Галилео Галилео је морао да изведе своје чувено искуство истовременог бацања две топовске кугле различитих тежина са нагнутог косог торња у Писи. Супротно очекивањима сведока експеримента, оба језгра су дошла до површине истовремено. Данас, сваки ђак зна да се то десило због чињенице да се сила гравитације са сваким тијелом преноси истим убрзањем. фрее фалл г = 9,81 м / с ² без обзира на масу м овог тела, а његова вредност према Њутновом другом закону је Ф = мг.

Гравитационе силе на Месецу и другим планетама имају различита значења овог убрзања. Међутим, природа дјеловања гравитације на њих је иста.

Гравитација и телесна тежина

Ако се прва сила примени директно на самом телу, онда други на његову подршку или суспензију. У овој ситуацији, еластичне силе увијек дјелују на тијела са стране носача и суспензија. Гравитационе снаге примењене на иста тела делују према њима.

Замислите терет који је висио изнад земље на извору. На њу се примјењују двије силе: еластична сила напете опруге и сила гравитације. Према трећем закону Њутна, оптерећење делује на опругу са силом једнаком и супротном сили еластичности. Ова снага ће бити његова тежина. За тежину од 1 кг, тежина је П = 1 кг .8 9,81 м / с ² = 9,81 Н (невтон).

Гравитационе силе: дефиниција

Прву квантитативну теорију гравитације, засновану на посматрању кретања планета, формулисао је Исаац Невтон 1687. године у свом чувеном "Почетку природне филозофије". Он је написао да привлачне силе које дјелују на сунце и планете зависе од количине материје коју садрже. Они су проширити на велике удаљености и увијек се смањивати као инверзни квадрат удаљености. Како се могу израчунати те гравитационе силе? Формула за силу Ф између два објекта са масом м ₁ и м _{2 која се} налази на удаљености р је следећа:

• Ф = Гм ₁ м ₂ / р ² ,
  где је Г константа пропорционалности, гравитациона константа.

Физички механизам гравитације

Њутн није био потпуно задовољан својом теоријом, јер је претпоставио интеракцију између тијела која привлаче на удаљености. Сам Велики Енглез био је убеђен да мора постојати неки физички агент одговоран за преношење акција једног тела на друго, што је сасвим јасно изразио у једном од својих писама. Али време када је уведен концепт гравитационог поља, које прожима сав простор, дошло је тек после четири века. Данас, када говоримо о гравитацији, можемо говорити о интеракцији било ког (космичког) тела са гравитационим пољем других тела, чија је мера гравитационе силе које настају између сваког пара тела. Закон света, формулисан од стране Невтона у горе наведеном облику, остаје истинит и потврђен многим чињеницама.

Теорија гравитације и астрономије

Веома успешно је примењен на решавање проблема небеске механике током КСВИИИ и почетком КСИКС века. На пример, математичари Д. Адамс и У. Ле Верриер, анализирајући кршење орбите Урана, сугеришу да гравитационе силе интеракције са још непознатом планетом делују на њу. Они су указали на његову намену и убрзо је Нептун тамо открио астроном И. Галле.

Иако је постојао један проблем. Ле Верриер је 1845. израчунао да орбита Меркура прелази на 35 ”по веку, за разлику од нулте вредности ове прецесије добијене према Невтоновој теорији. Накнадна мерења дала су тачнију вредност 43 ''. (Уочена прецесија је заиста 570 "/ век, али мукотрпна калкулација, која вам омогућава да одузмете утицај са свих других планета, даје вредност од 43".

Тек 1915. године, Алберт Ајнштајн је био у стању да објасни ову разлику у оквиру теорије гравитације коју је створио. Показало се да масивно Сунце, као и свако друго масивно тело, савија простор-време у својој близини. Ови ефекти узрокују одступања у орбитама планета, али у Меркуру, као најмањој и најближој планети нашој звезди, они се најјаче манифестују.

Инерцијалне и гравитационе масе

Као што је горе наведено, Галилео је први приметио да објекти падају на земљу истом брзином, без обзира на њихову масу. У Невтоновим формулама, појам масе долази из две различите једначине. Његов други закон каже да сила Ф која се примјењује на тијело с масом м даје убрзање према једнаџби Ф = ма.

Међутим, сила гравитације Ф примењена на тело задовољава формулу Ф = мг, где г зависи од другог тела које је у интеракцији са субјектом (земља обично, када говоримо о гравитацији). У обе једначине м је коефицијент пропорционалности, али у првом случају то је инерцијална маса, ау другом - гравитациона, и нема очигледног разлога да би они требали бити исти за сваки физички објекат.

Међутим, сви експерименти показују да је то тачно.

Ајнштајнова теорија гравитације

Он је схватио чињеницу једнакости инерцијалних и гравитационих маса као полазну тачку своје теорије. Успео је да конструише једначине гравитационог поља, чувене Еинстеинове једначине, и уз њихову помоћ израчуна исправну вредност за прецесију орбите Меркура. Они такође дају измјерени отклон свјетлосних зрака који пролазе близу сунца и нема сумње да из њих слиједе исправни резултати за макроскопску гравитацију. Ајнштајнова теорија гравитације, или општа теорија релативности (ГТР), како га је сам назвао, један је од највећих тријумфа модерне науке.

Гравитационе силе - је убрзање?

Ако не можете разликовати инерцијалну масу од гравитационе масе, онда не можете разликовати гравитацију и убрзање. Уместо тога, експеримент у гравитационом пољу може да се изводи у убрзаном лифту у одсуству гравитације. Када астронаут у ракети убрза, удаљава се од Земље, он доживљава гравитацију, која је неколико пута већа од земље, а огроман део тога долази од убрзања.

Ако нико не може разликовати гравитацију од убрзања, онда се прво може репродуковати убрзањем. Систем у којем убрзање замењује гравитацију назива се инерција. Мјесец у Земљиној орбити се стога може сматрати инерцијалним системом. Међутим, овај систем ће се разликовати од тачке до тачке, пошто се гравитационо поље мења. (На примеру Месеца гравитационо поље мења правац из једне тачке у другу.) Принцип да се инерцијални систем увек може наћи у било којој тачки у простору и времену у којем се физика покорава законима у одсуству гравитације назива се принцип еквиваленције.

Гравитација као манифестација геометријских својстава простора-времена

Чињеница да се гравитационе силе могу сматрати убрзањима у инерцијалним координатним системима који се разликују од тачке до тачке значи да је гравитација геометријски концепт.

Кажемо да је простор-време савијено. Размотрите лопту на равној површини. Он ће се одморити или, ако нема трења, равномерно се креће без икакве силе која дјелује на њега. Ако се површина савије, лопта ће се убрзати и премјестити на најнижу точку, бирајући најкраћи пут. Слично томе, Ајнштајнова теорија тврди да је четвородимензионални простор-време закривљен и да се тело креће у овом заобљеном простору дуж геодетске линије, која одговара најкраћем путу. Дакле, гравитационо поље и гравитационе силе које делују на физичка тела у њему су геометријске величине које зависе од својстава простор-времена које се најјаче мењају близу масивних тела.