Gravitacijske sile: definicija, formula, vrste

Na pitanje "Što je moć?" fizika odgovara ovako: "Sila je mjera interakcije materijalnih tijela međusobno ili između tijela i drugih materijalnih objekata - fizikalnih polja." Sve sile u prirodi mogu se pripisati četirima temeljnim vrstama interakcija: jakim, slabim, elektromagnetskim i gravitacijskim. Naš članak govori o tome što su gravitacijske sile - mjera posljednje i, možda, najraširenije vrste tih interakcija u prirodi.

Počnimo s privlačnošću zemlje

Svi živi znaju da postoji sila koja vuče predmete na tlo. Obično se naziva gravitacija, gravitacija ili zemaljska privlačnost. Zahvaljujući svojoj prisutnosti, osoba ima koncepte "gore" i "dolje", koji određuju smjer kretanja ili položaj nečega u odnosu na površinu zemlje. Tako se u određenom slučaju, na površini zemlje ili u njezinoj blizini, očituju gravitacijske sile, koje privlače predmete s masom jedni drugima, očitujući svoje djelovanje na bilo kojoj, i najmanjoj i vrlo velikoj, čak i po kozmičkim standardima, udaljenostima.

Gravitacija i Newtonov treći zakon

Kao što znate, svaka sila, ako se smatra mjerom međudjelovanja fizičkih tijela, uvijek se primjenjuje na jedno od njih. Dakle, u gravitacijskoj interakciji tijela jedno s drugim, svako od njih doživljava takve vrste gravitacijskih sila koje su uzrokovane utjecajem svakog od njih. Ako postoje samo dva tijela (pretpostavlja se da se djelovanje svih ostalih može zanemariti), tada će svako od njih, prema trećem Newtonovom zakonu, privući drugo tijelo istom silom. Dakle, Mjesec i Zemlja se međusobno privlače, što rezultira osekama i osekama zemaljskih mora.

Svaki planet u Sunčevom sustavu doživljava nekoliko sila privlačenja od Sunca i drugih planeta odjednom. Naravno, gravitacijska sila Sunca određuje oblik i veličinu njegove orbite, ali astronomi u proračunima svojih putanja uzimaju u obzir i utjecaj drugih nebeskih tijela.

Što će brže pasti na tlo s visine?

Glavna značajka ove sile je da svi objekti padaju na tlo istom brzinom, bez obzira na njihovu masu. Nekada, sve do 16. stoljeća, vjerovalo se da je suprotno – teža tijela trebaju pasti brže od lakih. Kako bi otklonio ovu zabludu, Galileo Galilei morao je izvesti svoj poznati eksperiment istovremenog ispuštanja dvije topovske kugle različite težine s nagnutog Kosog tornja u Pizi. Suprotno očekivanjima svjedoka pokusa, obje su jezgre istodobno stigle na površinu. Danas svaki školarac zna da se to dogodilo zbog činjenice da gravitacija svakom tijelu daje isto ubrzanje slobodnog pada g = 9,81 m / s 2, bez obzira na masu m ovog tijela, a njegova vrijednost, prema drugom Newtonovom zakonu, je F = mg.

Gravitacijske sile na Mjesecu i na drugim planetima imaju različite vrijednosti ovog ubrzanja. Međutim, priroda djelovanja gravitacije na njih je ista.

Gravitacija i tjelesna težina

Ako se prva sila primjenjuje izravno na samo tijelo, onda druga na njegov oslonac ili ovjes. U ovoj situaciji elastične sile uvijek djeluju na tijela sa strane oslonaca i ovjesa. Gravitacijske sile primijenjene na ista tijela djeluju prema njima.

Zamislite uteg obješen iznad tla na oprugu. Na njega se primjenjuju dvije sile: elastična sila istegnute opruge i sila gravitacije. Prema trećem Newtonovom zakonu, opterećenje na oprugu djeluje silom jednakom i suprotnoj sili elastičnosti. Ova snaga će biti njegova težina. Za teret težine 1 kg, težina je P = 1 kg ∙ 9,81 m / s 2 = 9,81 N (njutn).

Gravitacijske sile: definicija

Prvu kvantitativnu teoriju gravitacije, utemeljenu na opažanjima gibanja planeta, formulirao je Isaac Newton 1687. u svojim poznatim Principima prirodne filozofije. Napisao je da privlačne sile koje djeluju na Sunce i planete ovise o količini materije koju sadrže. Oni se šire na velike udaljenosti i uvijek se smanjuju kao recipročni kvadrat udaljenosti. Kako se te gravitacijske sile mogu izračunati? Formula za silu F između dva objekta s masama m 1 i m 2 koja se nalaze na udaljenosti r je:

• F \u003d Gm 1 m 2 / r 2,
  gdje je G konstanta proporcionalnosti, gravitacijska konstanta.

Fizički mehanizam gravitacije

Newton nije bio u potpunosti zadovoljan svojom teorijom, budući da je uključivala interakciju između gravitirajućih tijela na udaljenosti. I sam veliki Englez bio je uvjeren da mora postojati neki fizički agens odgovoran za prijenos djelovanja jednog tijela na drugo, o čemu je sasvim jasno govorio u jednom od svojih pisama. No vrijeme kada je uveden pojam gravitacijskog polja, koje prožima cijeli prostor, došlo je tek nakon četiri stoljeća. Danas, govoreći o gravitaciji, možemo govoriti o interakciji bilo kojeg (kozmičkog) tijela s gravitacijskim poljem drugih tijela, čija mjera su gravitacijske sile koje nastaju između svakog para tijela. Zakon univerzalne gravitacije, koji je formulirao Newton u gornjem obliku, ostaje istinit i potvrđen je mnogim činjenicama.

Teorija gravitacije i astronomija

Vrlo uspješno se primjenjivao u rješavanju problema u nebeskoj mehanici tijekom 18. i ranog 19. stoljeća. Na primjer, matematičari D. Adams i W. Le Verrier, analizirajući kršenje orbite Urana, sugerirali su da na njega utječu gravitacijske sile interakcije s još nepoznatim planetom. Naznačili su njegov navodni položaj i ubrzo je astronom I. Galle tamo otkrio Neptun.

Ipak je postojao jedan problem. Le Verrier je 1845. izračunao da Merkurova orbita prethodi 35"" po stoljeću, za razliku od Newtonove nulte precesije. Naknadna mjerenja dala su točniju vrijednost od 43"". (Uočena precesija je doista 570""/stoljeće, ali mukotrpan izračun da se oduzme utjecaj svih drugih planeta daje vrijednost od 43"".)

Tek 1915. Albert Einstein je uspio objasniti ovu nedosljednost u smislu svoje teorije gravitacije. Pokazalo se da masivno Sunce, kao i svako drugo masivno tijelo, savija prostor-vrijeme u svojoj blizini. Ti učinci uzrokuju devijacije u orbitama planeta, ali se Merkur, kao najmanji i najbliži planet našoj zvijezdi, najjače manifestiraju.

Inercijska i gravitacijska masa

Kao što je gore navedeno, Galileo je bio prvi koji je primijetio da objekti padaju na tlo istom brzinom, bez obzira na njihovu masu. U Newtonovim formulama pojam mase dolazi iz dvije različite jednadžbe. Njegov drugi zakon kaže da sila F primijenjena na tijelo mase m daje ubrzanje prema jednadžbi F = ma.

Međutim, sila gravitacije F primijenjena na tijelo zadovoljava formulu F = mg, gdje g ovisi o interakciji drugog tijela s tijelom koje se razmatra (zemlje, obično kada govorimo o gravitaciji). U obje jednadžbe, m je faktor proporcionalnosti, ali u prvom slučaju to je inercijska masa, au drugom je gravitacijska i nema očitog razloga da bi oni trebali biti isti za bilo koji fizički objekt.

Međutim, svi eksperimenti pokazuju da je to doista tako.

Einsteinova teorija gravitacije

Za polazište svoje teorije uzeo je činjenicu jednakosti inercijskih i gravitacijskih masa. Uspio je konstruirati jednadžbe gravitacijskog polja, poznate Einsteinove jednadžbe i uz njihovu pomoć izračunati točnu vrijednost za precesiju orbite Merkura. Oni također daju izmjerenu vrijednost za otklon svjetlosnih zraka koje prolaze u blizini Sunca, a nema sumnje da iz njih slijede točni rezultati za makroskopsku gravitaciju. Einsteinova teorija gravitacije, ili opća teorija relativnosti (GR) kako ju je nazvao, jedan je od najvećih trijumfa moderne znanosti.

Gravitacijske sile su ubrzanje?

Ako ne možete razlikovati inercijsku masu od gravitacijske mase, onda ne možete razlikovati gravitaciju i ubrzanje. Umjesto toga, eksperiment u gravitacijskom polju može se izvesti u brzom pokretnom dizalu u odsutnosti gravitacije. Kada astronaut u raketi ubrzava, udaljavajući se od zemlje, doživljava silu gravitacije koja je nekoliko puta veća od Zemljine, a velika većina dolazi od ubrzanja.

Ako nitko ne može razlikovati gravitaciju od ubrzanja, tada se prvo uvijek može reproducirati ubrzanjem. Sustav u kojem ubrzanje zamjenjuje gravitaciju naziva se inercijski. Stoga se Mjesec u orbiti oko Zemlje također može smatrati inercijskim sustavom. Međutim, ovaj će se sustav razlikovati od točke do točke kako se gravitacijsko polje mijenja. (U primjeru Mjeseca, gravitacijsko polje mijenja smjer od jedne točke do druge.) Načelo da se uvijek može pronaći inercijski okvir u bilo kojoj točki u prostoru i vremenu u kojem fizika poštuje zakone u odsustvu gravitacije naziva se princip ekvivalencije.

Gravitacija kao manifestacija geometrijskih svojstava prostor-vremena

Činjenica da se gravitacijske sile mogu promatrati kao ubrzanja u inercijskim koordinatnim sustavima koji se razlikuju od točke do točke znači da je gravitacija geometrijski koncept.

Kažemo da je prostor-vrijeme zakrivljeno. Zamislite loptu na ravnoj površini. Odmarat će se ili će se, ako nema trenja, kretati jednoliko u nedostatku bilo kakvih sila koje na njega djeluju. Ako je površina zakrivljena, lopta će se ubrzati i pomaknuti do najniže točke, krećući se najkraćim putem. Slično, Einsteinova teorija kaže da je četverodimenzionalni prostor-vrijeme zakrivljen, a tijelo se kreće u tom zakrivljenom prostoru duž geodetske linije, što odgovara najkraćem putu. Stoga su gravitacijsko polje i gravitacijske sile koje u njemu djeluju na fizička tijela geometrijske veličine koje ovise o svojstvima prostor-vremena, koja se najjače mijenjaju u blizini masivnih tijela.