Gravitatsioonijõud: määratlus, valem, liigid

Küsimusele "Mis on võim?" Füüsika vastab nii: "Jõud on materiaalsete kehade omavahelise või kehade ja muude materiaalsete objektide – füüsikaliste väljade – vastasmõju mõõt." Kõiki loodusjõude võib seostada nelja põhilise vastastikmõju tüübiga: tugev, nõrk, elektromagnetiline ja gravitatsiooniline. Meie artikkel räägib sellest, mis on gravitatsioonijõud - nende vastasmõjude viimaste ja võib-olla kõige levinumate liikide mõõt.

Alustame maa külgetõmbejõuga

Kõik elavad teavad, et on jõud, mis tõmbab esemeid maapinnale. Tavaliselt nimetatakse seda gravitatsiooniks, gravitatsiooniks või maapealseks külgetõmbejõuks. Oma kohaloleku tõttu on inimesel mõisted "üles" ja "alla", mis määravad millegi liikumissuuna või asukoha maapinna suhtes. Nii et konkreetsel juhul ilmnevad maapinnal või selle läheduses gravitatsioonijõud, mis tõmbavad massiga objekte üksteise poole, avaldades oma tegevust mis tahes, nii väikseima kui ka väga suure, isegi kosmiliste standardite järgi vahemaa tagant.

Gravitatsioon ja Newtoni kolmas seadus

Nagu teate, rakendatakse mis tahes jõudu, kui seda käsitletakse füüsiliste kehade vastastikmõju mõõduna, alati ühele neist. Nii et kehade gravitatsioonilises interaktsioonis kogeb igaüks neist seda tüüpi gravitatsioonijõude, mis on põhjustatud nende igaühe mõjust. Kui kehasid on ainult kaks (eeldatakse, et kõigi teiste tegevust saab tähelepanuta jätta), siis igaüks neist Newtoni kolmanda seaduse kohaselt tõmbab teise keha sama jõuga. Seega tõmbuvad Kuu ja Maa teineteist ligi, mille tulemuseks on maamerde mõõn ja voog.

Iga Päikesesüsteemi planeet kogeb korraga mitut Päikese ja teiste planeetide külgetõmbejõudu. Muidugi määrab Päikese gravitatsioonijõud tema orbiidi kuju ja suuruse, kuid astronoomid võtavad trajektooride arvutamisel arvesse ka teiste taevakehade mõju.

Mis kukub kõrgelt kiiremini maapinnale?

Selle jõu peamine omadus on see, et kõik objektid langevad maapinnale sama kiirusega, olenemata nende massist. Kunagi, kuni 16. sajandini, usuti, et tõsi on vastupidi – raskemad kehad peaksid kukkuma kiiremini kui kerged. Selle väärarusaama ümberlükkamiseks pidi Galileo Galilei sooritama oma kuulsa eksperimendi, mille käigus kukutas Pisa kaldtornist kaks erineva kaaluga kahurikuuli. Vastupidiselt katse tunnistajate ootustele jõudsid mõlemad tuumad pinnale korraga. Tänapäeval teab iga koolilaps, et see juhtus tänu sellele, et gravitatsioon annab ükskõik millisele kehale sama vaba langemise kiirenduse g = 9,81 m / s 2, olenemata selle keha massist m ja selle väärtus vastavalt Newtoni teisele seadusele on F = mg.

Kuu ja teiste planeetide gravitatsioonijõududel on selle kiirenduse väärtused erinevad. Kuid gravitatsiooni toime olemus neile on sama.

Gravitatsioon ja kehakaal

Kui esimene jõud rakendatakse otse kehale endale, siis teine ​​selle toele või vedrustusele. Sellises olukorras mõjuvad elastsed jõud kehadele alati tugede ja vedrustuste küljelt. Samadele kehadele mõjuvad gravitatsioonijõud.

Kujutage ette raskust, mis ripub vedru küljes maapinna kohal. Sellele rakendatakse kahte jõudu: venitatud vedru elastsusjõudu ja gravitatsioonijõudu. Newtoni kolmanda seaduse järgi mõjub koormus vedrule elastsusjõuga võrdse ja vastupidise jõuga. See tugevus on selle kaal. 1 kg kaaluva koorma puhul on kaal P \u003d 1 kg ∙ 9,81 m / s 2 \u003d 9,81 N (njuuton).

Gravitatsioonijõud: määratlus

Esimese kvantitatiivse gravitatsiooniteooria, mis põhines planeetide liikumise vaatlustel, sõnastas Isaac Newton 1687. aastal oma kuulsas loodusfilosoofia printsiibis. Ta kirjutas, et Päikesele ja planeetidele mõjuvad külgetõmbejõud sõltuvad neis sisalduva aine hulgast. Need levivad pikkade vahemaade tagant ja vähenevad alati kauguse ruudu pöördväärtusena. Kuidas saab neid gravitatsioonijõude arvutada? Kahe kaugusel r asuva massiga m 1 ja m 2 objekti vahelise jõu F valem on järgmine:

• F \u003d Gm 1 m 2 / r 2,
  kus G on proportsionaalsuse konstant, siis gravitatsioonikonstant.

Gravitatsiooni füüsikaline mehhanism

Newton ei olnud oma teooriaga täielikult rahul, kuna see hõlmas gravitatsioonikehade vastastikmõju kaugusel. Suur inglane ise oli veendunud, et peab olema mingi füüsiline tegur, kes vastutab ühe keha tegevuse ülekandmise eest teisele, millest ta ühes oma kirjas üsna selgelt rääkis. Kuid aeg, mil võeti kasutusele gravitatsioonivälja mõiste, mis läbib kogu ruumi, saabus alles nelja sajandi pärast. Tänapäeval saame gravitatsioonist rääkides rääkida mistahes (kosmilise) keha vastasmõjust teiste kehade gravitatsiooniväljaga, mille mõõdupuuks on iga kehapaari vahel tekkivad gravitatsioonijõud. Universaalse gravitatsiooni seadus, mille Newton sõnastas ülaltoodud kujul, jääb paika ja seda kinnitavad paljud faktid.

Gravitatsiooniteooria ja astronoomia

Seda kasutati väga edukalt taevamehaanika probleemide lahendamisel 18. sajandil ja 19. sajandi alguses. Näiteks matemaatikud D. Adams ja W. Le Verrier pakkusid Uraani orbiidi rikkumisi analüüsides välja, et sellele mõjuvad gravitatsioonijõud, mis tekivad interaktsioonis veel tundmatu planeediga. Nad näitasid selle oletatavat asukohta ja peagi avastas astronoom I. Galle sealt Neptuuni.

Üks probleem oli siiski. Le Verrier arvutas 1845. aastal, et Merkuuri orbiit pretseseeris 35 tolli sajandis, erinevalt Newtoni teooriast saadud pretsessiooni nullväärtusest. Hilisemad mõõtmised andsid täpsemaks väärtuseks 43"". (Täheldatud pretsessioon on tõepoolest 570""/sajand, kuid hoolikas arvutus kõigi teiste planeetide mõju lahutamiseks annab tulemuseks 43"".

Alles 1915. aastal suutis Albert Einstein seda vastuolu oma gravitatsiooniteooriaga selgitada. Selgus, et massiivne Päike, nagu iga teinegi massiivne keha, painutab oma läheduses aegruumi. Need mõjud põhjustavad planeetide orbiitidel kõrvalekaldeid, kuid Merkuur kui meie tähele kõige väiksem ja lähim planeet avaldub kõige tugevamalt.

Inertsiaalsed ja gravitatsioonilised massid

Nagu eespool märgitud, oli Galileo esimene, kes märkas, et objektid langevad maapinnale sama kiirusega, olenemata nende massist. Newtoni valemites pärineb massi mõiste kahest erinevast võrrandist. Tema teine ​​seadus ütleb, et kehale massiga m rakendatav jõud F annab kiirenduse vastavalt võrrandile F = ma.

Kehale rakenduv gravitatsioonijõud F rahuldab aga valemit F = mg, kus g sõltub teise kehaga vastastikmõjust (maa oma, tavaliselt, kui räägime gravitatsioonist). Mõlemas võrrandis on m proportsionaalsustegur, kuid esimesel juhul on see inertsiaalmass ja teisel juhul gravitatsiooniline ning pole ilmset põhjust, et need peaksid olema ühesugused ühegi füüsilise objekti puhul.

Kõik katsed näitavad aga, et see on tõesti nii.

Einsteini gravitatsiooniteooria

Ta võttis oma teooria lähtepunktiks inertsiaal- ja gravitatsioonimasside võrdsuse. Ta suutis koostada gravitatsioonivälja võrrandid, kuulsad Einsteini võrrandid ja arvutada nende abil Merkuuri orbiidi pretsessiooni õige väärtuse. Samuti annavad need mõõdetud väärtuse Päikese lähedalt mööduvate valguskiirte kõrvalekaldumisele ja pole kahtlust, et neist tulenevad makroskoopilise gravitatsiooni õiged tulemused. Einsteini gravitatsiooniteooria või üldrelatiivsusteooria (GR), nagu ta seda nimetas, on üks kaasaegse teaduse suurimaid võidukäike.

Kas gravitatsioonijõud on kiirendus?

Kui te ei suuda eristada inertsiaalset massi ja gravitatsioonimassi, ei saa te teha vahet ka gravitatsioonil ja kiirendusel. Eksperimendi gravitatsiooniväljas saab gravitatsiooni puudumisel teha hoopis kiiresti liikuvas liftis. Kui astronaut raketis kiirendab, liigub maast eemale, kogeb ta gravitatsioonijõudu, mis on mitu korda suurem kui Maa oma ja valdav osa sellest tuleneb kiirendusest.

Kui keegi ei suuda eristada gravitatsiooni kiirendusest, siis esimest saab alati kiirendusega taastoota. Süsteemi, milles kiirendus asendab gravitatsiooni, nimetatakse inertsiaalseks. Seetõttu võib ka Maa-lähedasel orbiidil asuvat Kuud pidada inertsiaalsüsteemiks. See süsteem erineb aga gravitatsioonivälja muutudes punktiti. (Kuu näite puhul muudab gravitatsiooniväli suunda ühest punktist teise.) Põhimõtet, mille kohaselt võib alati leida inertsiaalraami mis tahes aja- ja ruumipunktis, milles füüsika järgib gravitatsiooni puudumisel seadusi, nimetatakse printsiibiks. samaväärsuse kohta.

Gravitatsioon kui aegruumi geomeetriliste omaduste ilming

Asjaolu, et gravitatsioonijõude võib vaadelda kui kiirendusi inertsiaalsetes koordinaatsüsteemides, mis punktiti erinevad, tähendab, et gravitatsioon on geomeetriline mõiste.

Me ütleme, et aegruum on kõver. Mõelge pallile tasasel pinnal. See puhkab või hõõrdumise puudumisel liigub ühtlaselt, ilma et sellele mõjuksid jõud. Kui pind on kõver, pall kiirendab ja liigub madalaima punktini, võttes kõige lühema tee. Samamoodi väidab Einsteini teooria, et neljamõõtmeline aegruum on kõver ja keha liigub selles kõveras ruumis mööda geodeetilist joont, mis vastab lühimale teele. Seetõttu on gravitatsiooniväli ja selles füüsilistele kehadele mõjuvad gravitatsioonijõud aegruumi omadustest sõltuvad geomeetrilised suurused, mis muutuvad kõige tugevamalt massiivsete kehade läheduses.