V prírode existujú rôzne sily, ktoré charakterizujú interakciu telies. Zvážte tie sily, ktoré sa vyskytujú v mechanike.

gravitačné sily. Pravdepodobne prvou silou, ktorej existenciu si človek uvedomil, bola sila príťažlivosti pôsobiaca na telesá zo strany Zeme.

A trvalo mnoho storočí, kým ľudia pochopili, že medzi akýmikoľvek telesami pôsobí gravitačná sila. A trvalo mnoho storočí, kým ľudia pochopili, že medzi akýmikoľvek telesami pôsobí gravitačná sila. Tento fakt ako prvý pochopil anglický fyzik Newton. Rozborom zákonov, ktorými sa riadi pohyb planét (Keplerove zákony), dospel k záveru, že pozorované zákony pohybu planét možno naplniť len vtedy, ak medzi nimi pôsobí príťažlivá sila, ktorá je priamo úmerná ich hmotnostiam a nepriamo úmerná. na druhú mocninu vzdialenosti medzi nimi.

Newton formulovaný zákon gravitácie. Akékoľvek dve telá sa navzájom priťahujú. Príťažlivá sila medzi bodovými telesami smeruje pozdĺž priamky, ktorá ich spája, je priamo úmerná hmotnosti oboch a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

Bodovými telesami sa v tomto prípade rozumejú telesá, ktorých rozmery sú mnohonásobne menšie ako vzdialenosť medzi nimi.

Gravitačné sily sa nazývajú gravitačné sily. Koeficient úmernosti G sa nazýva gravitačná konštanta. Jeho hodnota bola stanovená experimentálne: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².

gravitácia pôsobiace v blízkosti povrchu Zeme, smeruje k jej stredu a vypočíta sa podľa vzorca:

kde g je zrýchlenie voľný pád(g = 9,8 m/s2).

Úloha gravitácie v živej prírode je veľmi významná, pretože veľkosť, tvar a proporcie živých bytostí do značnej miery závisia od jej veľkosti.

Telesná hmotnosť. Zvážte, čo sa stane, keď sa bremeno umiestni na vodorovnú rovinu (podporu). V prvom momente po spustení sa bremeno začne pôsobením gravitácie pohybovať smerom nadol (obr. 8).

Rovina sa ohýba a vzniká elastická sila (reakcia podpery), smerujúca nahor. Potom, čo pružná sila (Fy) vyrovná gravitačnú silu, zastaví sa spúšťanie tela a vychýlenie podpery.

Priehyb podpery vznikol pôsobením tela, preto na podperu zo strany tela pôsobí určitá sila (P), ktorá sa nazýva hmotnosť tela (obr. 8, b). Podľa tretieho Newtonovho zákona sa hmotnosť telesa rovná sile reakcie podpory a smeruje opačným smerom.

P \u003d - Fu \u003d F ťažké.

telesná hmotnosť nazývaná sila P, ktorou teleso pôsobí na vodorovnú podperu, ktorá je voči nej stacionárna.

Keďže na podperu pôsobí gravitácia (váha), deformuje sa a v dôsledku pružnosti pôsobí proti gravitačnej sile. Sily vyvinuté v tomto prípade zo strany podpory sa nazývajú sily reakcie podpory a samotný jav vývoja protiakcie sa nazýva reakcia podpory. Podľa tretieho Newtonovho zákona je reakčná sila podpery rovnako veľká ako gravitačná sila telesa a má opačný smer.

Ak sa osoba na podpere pohybuje so zrýchlením článkov svojho tela nasmerovaných preč od podpery, potom sa reakčná sila podpery zvýši o hodnotu ma, kde m je hmotnosť osoby a sú zrýchlenia, s ktorými články jeho tela sa pohybujú. Tieto dynamické efekty je možné zaznamenať pomocou tenzometrických zariadení (dynamogramov).

Hmotnosť by sa nemala zamieňať s telesnou hmotnosťou. Hmotnosť telesa charakterizuje jeho zotrvačné vlastnosti a nezávisí ani od gravitačnej sily, ani od zrýchlenia, s ktorým sa pohybuje.

Hmotnosť telesa charakterizuje silu, ktorou pôsobí na podperu a závisí tak od gravitačnej sily, ako aj od zrýchlenia pohybu.

Napríklad na Mesiaci je hmotnosť telesa asi 6-krát menšia ako hmotnosť telesa na Zemi.Hmotnosť je v oboch prípadoch rovnaká a je určená množstvom hmoty v telese.

V každodennom živote, technológii, športe sa hmotnosť často neuvádza v newtonoch (N), ale v kilogramoch sily (kgf). Prechod z jednej jednotky na druhú sa uskutočňuje podľa vzorca: 1 kgf = 9,8 N.

Keď sú podpera a telo nehybné, potom sa hmotnosť tela rovná gravitačnej sile tohto tela. Keď sa podpora a telo pohybujú s určitým zrýchlením, potom v závislosti od smeru môže telo zažiť stav beztiaže alebo preťaženie. Keď sa zrýchlenie zhoduje v smere a rovná sa zrýchleniu voľného pádu, hmotnosť tela bude nulová, takže nastáva stav beztiaže (ISS, vysokorýchlostný výťah pri spúšťaní dole). Keď je zrýchlenie pohybu podpery opačné ako zrýchlenie voľného pádu, osoba zažije preťaženie (štart z povrchu Zeme s ľudskou posádkou vesmírna loď, vysokorýchlostný výťah idúci hore).

Nielen tie najzáhadnejšie sily prírody ale aj najmocnejší.

Muž na ceste k pokroku

Historicky to tak bolo Ľudské ako sa posúvate vpred cesty pokroku ovládal stále mocnejšie prírodné sily. Začal, keď nemal nič iné ako palicu v päste a vlastnú fyzickú silu. Ale bol múdry a do svojich služieb vniesol fyzickú silu zvierat, vďaka ktorým sa stali domácimi. Kôň zrýchlil beh, ťava urobila púšť priechodnou, slon močaristú džungľu. Ale fyzické sily aj tých najsilnejších zvierat sú v porovnaní so silami prírody nesmierne malé. Prvá osoba si podmanila živel ohňa, ale len v jeho najslabších verziách. Spočiatku – dlhé stáročia – používal ako palivo len drevo – veľmi nízkoenergetický druh paliva. O niečo neskôr sa naučil využívať veternú energiu z tohto zdroja energie, človek zdvihol biele krídlo plachty do vzduchu - a svetelná loď preletela nad vlnami ako vták. Plachetnica na vlnách. Lopatky veterného mlyna vystavil poryvom vetra – a ťažké kamene mlynských kameňov sa roztočili, paličky krúp rachotili. Každému je ale jasné, že energia prúdov vzduchu ani zďaleka nie je koncentrovaná. Plachta aj veterný mlyn sa navyše báli nárazov vetra: búrka roztrhala plachty a potopila lode, búrka zlomila krídla a prevrátila mlyny. Aj neskôr začal človek dobýjať tečúcu vodu. Koleso nie je len najprimitívnejším zariadením schopným premieňať energiu vody na rotačný pohyb, ale aj najviac nízkoenergetický v porovnaní s rôznymi . Človek napredoval na rebríčku pokroku a potreboval stále viac energie. Začal používať nové druhy paliva - už prechod na spaľovanie čierne uhlie zvýšil energetickú náročnosť kilogramu paliva z 2500 kcal na 7000 kcal – takmer trojnásobok. Potom prišiel čas ropy a zemného plynu. Energetický obsah každého kilogramu fosílnych palív sa opäť zvýšil jeden a pol až dvakrát. Parné stroje boli nahradené parnými turbínami; mlynské kolesá nahradili hydraulické turbíny. Potom muž natiahol ruku k štiepnemu atómu uránu. Prvé použitie nového druhu energie však malo tragické následky – jadrový plameň Hirošimy v roku 1945 spálil v priebehu niekoľkých minút 70-tisíc ľudských sŕdc. V roku 1954 bola uvedená do prevádzky prvá sovietska jadrová elektráreň na svete, ktorá premenila silu uránu na žiarivú silu elektrického prúdu. A treba si uvedomiť, že kilogram uránu obsahuje dva milióny krát viac energie ako kilogram tej najlepšej ropy. Išlo o zásadne nový oheň, ktorý by sa dal nazvať fyzikálnym, pretože práve fyzici študovali procesy vedúce k zrodu takého rozprávkového množstva energie. Urán nie je jediným jadrovým palivom. Už sa používa výkonnejší typ paliva – izotopy vodíka. Žiaľ, vodíkovo-héliový jadrový plameň sa človeku zatiaľ nepodarilo pokoriť. Vie, ako na chvíľu zapáliť svoj horiaci oheň a zapáliť reakciu vo vodíkovej bombe zábleskom výbuchu uránu. Ale čoraz bližšie vedci vidia vodíkový reaktor, ktorý zrodí elektriny ako výsledok fúzie jadier izotopov vodíka na jadrá hélia. Opäť platí, že množstvo energie, ktoré môže človek odobrať z každého kilogramu paliva, vzrastie takmer desaťnásobne. Bude však tento krok posledným v nadchádzajúcich dejinách ľudskej moci nad prírodnými silami? nie! Vpredu - majstrovstvo gravitačný pohľad energie. Príroda ho balí ešte prezieravejšie ako energia fúzie vodíka a hélia. Dnes je to najkoncentrovanejšia forma energie, o ktorej môže človek čo i len tušiť. Nič viac tam za hranicami vedy ešte nie je viditeľné. A aj keď môžeme s istotou povedať, že elektrárne budú pracovať pre človeka, spracovanie gravitačnej energie na elektrický prúd (alebo možno na prúd plynu vylietavajúci z trysky prúdového motora alebo na plánovanú premenu všadeprítomných atómov kremíka a kyslíka do atómov ultravzácnych kovov), zatiaľ nemôžeme povedať nič o podrobnostiach takejto elektrárne ( raketový motor fyzikálny reaktor).

Sila univerzálnej gravitácie pri počiatkoch zrodu galaxií

Sila univerzálnej gravitácie stojí na počiatku zrodu galaxií z predhviezdnej hmoty, ako je presvedčený akademik V.A. Ambartsumyan. Zhasne aj hviezdy, ktoré vyhoreli svoj čas, pretože minuli hviezdne palivo, ktoré im bolo pridelené pri narodení. Mnoho fyzikov vysvetľuje existenciu kvazarov zásahom univerzálnej gravitácie, (viac:) Áno, pozri sa okolo seba: všetko na Zemi je do značnej miery ovládané touto silou. Práve ona určuje vrstvenú štruktúru našej planéty – striedanie litosféry, hydrosféry a atmosféry. Práve ona drží hrubú vrstvu vzdušných plynov, na dne ktorej a vďaka ktorej všetci existujeme. Ak by neexistovala gravitácia, Zem by sa okamžite vymanila z obežnej dráhy okolo Slnka a samotná zemeguľa by sa rozpadla na kusy, roztrhnutá odstredivými silami. Je ťažké nájsť niečo, čo by v tej či onej miere nebolo závislé od sily univerzálnej gravitácie. Samozrejme, starovekí filozofi, veľmi všímaví ľudia, si nemohli nevšimnúť, že kameň hodený hore sa vždy vráti. Platón v 4. storočí pred Kristom to vysvetľoval tým, že všetky látky vesmíru smerujú tam, kde sa sústreďuje väčšina podobných látok: hodený kameň spadne na zem alebo ide ku dnu, rozliata voda presiakne do najbližšieho jazierka resp. do rieky, ktorá si razí cestu k moru, dym z ohňa sa ženie k jej spriazneným oblakom. Žiak Platóna, Aristoteles, objasnil, že všetky telesá majú špeciálne vlastnosti, ako je váha a ľahkosť. Ťažké telesá - kamene, kovy - sa ponáhľajú do stredu vesmíru, svetlo - oheň, dym, pary - na perifériu. Táto hypotéza, ktorá vysvetľuje niektoré javy spojené so silou univerzálnej gravitácie, existuje už viac ako 2 tisíc rokov.

Vedci o gravitačnej sile

Pravdepodobne prvý, kto nastolí otázku gravitačná sila skutočne vedecký, bol génius renesancie - Leonardo da Vinci. Leonardo hlásal, že gravitácia je charakteristická nielen pre Zem, že existuje veľa ťažísk. A tiež navrhol, že sila gravitácie závisí od vzdialenosti od ťažiska. Diela Koperníka, Galilea, Keplera, Roberta Hooka priblížili a priblížili myšlienku zákona univerzálnej gravitácie, ale vo svojej konečnej formulácii je tento zákon navždy spojený s menom Isaaca Newtona.

Isaac Newton o sile gravitácie

narodil sa 4. januára 1643. Vyštudoval University of Cambridge, stal sa bakalárom, potom - magistrom vied.
Isaac Newton. Všetko ostatné je nekonečné bohatstvo vedeckých prác. Ale jeho hlavným dielom sú „Matematické princípy prírodnej filozofie“, vydané v roku 1687 a zvyčajne nazývané jednoducho „Začiatky“. Práve v nich sa formuluje to veľké. Asi každý si ho pamätá zo strednej školy.

Všetky telesá sú k sebe priťahované silou, ktorá je priamo úmerná súčinu hmotností týchto telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi ...

Niektoré ustanovenia tejto formulácie mohli už Newtonovi predchodcovia predpokladať, no ešte nebola nikomu daná celá. Na zostavenie týchto fragmentov do jedného celku bol potrebný Newtonov génius, aby sa príťažlivosť Zeme rozšírila na Mesiac a Slnko na celý planetárny systém. Zo zákona univerzálnej gravitácie Newton odvodil všetky zákony pohybu planét, ktoré objavil už Kepler. Boli to len jej následky. Navyše Newton ukázal, že nielen Keplerove zákony, ale aj odchýlky od týchto zákonov (vo svete troch a viacerých telies) sú výsledkom univerzálnej gravitácie... To bol veľký triumf vedy. Zdalo sa, že konečne bola objavená a matematicky opísaná hlavná sila prírody, ktorá hýbe svetmi, sila, ktorej podliehajú molekuly vzduchu, jablká a Slnko. Obrovský, nesmierne obrovský bol krok, ktorý urobil Newton. Prvý popularizátor diela geniálneho vedca, francúzsky spisovateľ Francois Marie Arouet, svetoznámy pod pseudonymom Voltaire, povedal, že Newton pri pohľade na padajúce jablko zrazu uhádol existenciu zákona pomenovaného po ňom. Sám Newton toto jablko nikdy nespomenul. A dnes sotva stojí za to strácať čas vyvracaním tejto krásnej legendy. A očividne Newton pochopil veľkú silu prírody logickým uvažovaním. Je pravdepodobné, že to bolo zahrnuté v zodpovedajúcej kapitole „Začiatky“.

Gravitačná sila ovplyvňuje let jadra

Predpokladajme, že na veľmi vysoká hora, tak vysoko, že jeho vrchol je už mimo atmosféry, sme nainštalovali obrie delostrelectvo. Jeho kmeň bol umiestnený striktne rovnobežne s povrchom glóbus a vyhodili. Opis oblúka jadro padá na zem. Zvyšujeme náboj, zlepšujeme kvalitu pušného prachu, tak či onak prinútime jadro sa po ďalšom výstrele pohybovať vyššou rýchlosťou. Oblúk opísaný jadrom sa stáva plochejším. Jadro spadá oveľa ďalej od úpätia našej hory. Tiež zvyšujeme náboj a strieľame. Jadro letí po takej miernej trajektórii, že klesá rovnobežne s povrchom zemegule. Jadro už nemôže spadnúť na Zem: rovnakou rýchlosťou, akou padá, Zem spod neho uniká. A po opísaní prstenca okolo našej planéty sa jadro vráti do východiskového bodu. Pištoľ je možné medzitým vybrať. Veď let jadra okolo zemegule potrvá viac ako hodinu. A potom jadro rýchlo prejde cez vrchol hory a prejde do nového kruhu okolo Zeme. Pád, ak, ako sme sa dohodli, jadro nebude mať odpor vzduchu, nebude môcť nikdy. Rýchlosť jadra by sa mala pohybovať okolo 8 km/s. A ak zvýšite rýchlosť letu jadra? Najprv poletí oblúkom, jemnejším ako zakrivenie zemského povrchu a začne sa vzďaľovať od Zeme. Zároveň sa zníži jeho rýchlosť pod vplyvom zemskej príťažlivosti. A nakoniec, keď sa otočí, začne akoby padať späť k Zemi, ale preletí popri nej a už nedotvorí kruh, ale elipsu. Jadro sa bude pohybovať okolo Zeme presne tak, ako sa Zem pohybuje okolo Slnka, a to po elipse, v ktorej jednom z ohniskov sa bude nachádzať stred našej planéty. Ak ďalej zvýšime počiatočnú rýchlosť jadra, elipsa sa ukáže byť viac natiahnutá. Túto elipsu je možné natiahnuť tak, že jadro dosiahne obežnú dráhu Mesiaca alebo ešte oveľa ďalej. Ale kým štartovacia rýchlosť tohto jadra nepresiahne 11,2 km/s, zostane satelitom Zeme. Jadro, ktoré pri výstrele dostalo rýchlosť vyše 11,2 km/s, navždy odletí od Zeme po parabolickej trajektórii. Ak je elipsa uzavretá krivka, potom parabola je krivka, ktorá má dve vetvy smerujúce do nekonečna. Pohybom po elipse, bez ohľadu na to, aká môže byť predĺžená, sa nevyhnutne systematicky vrátime k východiskovému bodu. Pohybujúc sa po parabole sa nikdy nevrátime do východiskového bodu. Ale po opustení Zeme touto rýchlosťou jadro ešte nebude schopné lietať do nekonečna. Silná gravitácia Slnka ohne trajektóriu jeho letu a priblíži sa okolo seba ako trajektóriu planéty. Jadro sa stane sestrou Zeme, malou planétou v našej vlastnej rodine planét. Aby bolo možné nasmerovať jadro mimo planetárneho systému, prekonať slnečnú príťažlivosť, je potrebné povedať mu rýchlosť viac ako 16,7 km / s a ​​nasmerovať ho tak, aby sa k tejto rýchlosti pripočítala rýchlosť vlastného pohybu Zeme. . Rýchlosť okolo 8 km/s (táto rýchlosť závisí od výšky hory, z ktorej naše delo strieľa) sa nazýva kruhová rýchlosť, rýchlosti od 8 do 11,2 km/s sú eliptické, od 11,2 do 16,7 km/s sú parabolické, a nad toto číslo - oslobodzujúce rýchlosti. Tu treba dodať, že uvedené hodnoty týchto rýchlostí platia len pre Zem. Ak by sme žili na Marse, kruhovú rýchlosť by sme dosiahli oveľa jednoduchšie – je to tam len asi 3,6 km/s a parabolická rýchlosť je len o niečo viac ako 5 km/s. Na druhej strane by bolo oveľa ťažšie poslať jadro vesmírnym letom z Jupitera ako zo Zeme: kruhová rýchlosť na tejto planéte je 42,2 km/s a parabolická dokonca 61,8 km/s! Pre obyvateľov Slnka by bolo najťažšie opustiť svoj svet (ak by, samozrejme, taký mohol existovať). Kruhová rýchlosť tohto obra by mala byť 437,6 a rýchlosť separácie - 618,8 km / s! Takže Newtonov koniec XVII storočia, sto rokov pred prvým letom teplovzdušného balóna bratov Montgolfierovcov, dvesto rokov pred prvými letmi lietadla bratov Wrightovcov a takmer štvrť tisícročia predtým, ako vzlietli prvé rakety na kvapalné palivo, ukázal cestu k oblohe pre satelity a kozmické lode.

Gravitačná sila je vlastná každej sfére

Cez zákon gravitácie boli objavené neznáme planéty, vznikli kozmogonické hypotézy o vzniku slnečnej sústavy. Bola objavená a matematicky opísaná hlavná sila prírody, ktorá ovláda hviezdy, planéty, jablká v záhrade a molekuly plynu v atmosfére. Ale nepoznáme mechanizmus univerzálnej gravitácie. Newtonovská gravitácia nevysvetľuje, ale vizualizuje stav techniky planetárne pohyby. Nevieme, čo spôsobuje interakciu všetkých tiel Vesmíru. A nedá sa povedať, že by Newtona tento dôvod nezaujímal. Dlhé roky uvažoval nad jej možným mechanizmom. Mimochodom, toto je skutočne mimoriadne tajomná sila. Sila, ktorá sa prejavuje v stovkách miliónov kilometrov priestoru, na prvý pohľad bez akýchkoľvek hmotných útvarov, pomocou ktorých by sa dal vysvetliť prenos interakcie.

Newtonove hypotézy

A newton uchýlil sa k hypotéza o existencii istého éteru, ktorý údajne napĺňa celý Vesmír. V roku 1675 vysvetlil príťažlivosť Zeme tým, že éter napĺňajúci celý Vesmír sa rúti do stredu Zeme v nepretržitých prúdoch, zachytávajúc všetky objekty v tomto pohybe a vytvára gravitačnú silu. Rovnaký prúd éteru sa rúti k Slnku a spolu s ním vláči planéty, kométy, zabezpečuje ich eliptické trajektórie... Nebola to veľmi presvedčivá, aj keď absolútne matematicky logická hypotéza. Ale teraz, v roku 1679, Newton vytvoril novú hypotézu vysvetľujúcu mechanizmus gravitácie. Tentoraz obdarúva éter vlastnosťou mať inú koncentráciu v blízkosti planét a ďaleko od nich. Čím ďalej od stredu planéty, tým je údajne hustejší éter. A má tú vlastnosť, že vytlačí všetky hmotné telá z ich hustejších vrstiev do menej hustých. A všetky telesá sú vytlačené na povrch Zeme. V roku 1706 Newton ostro popiera samotnú existenciu éteru. V roku 1717 sa opäť vracia k hypotéze o vytláčaní éteru. Geniálny mozog Newtona bojoval o riešenie veľkej záhady a nenašiel ho. To vysvetľuje také prudké hádzanie zo strany na stranu. Newton hovorieval:

Nerobím si hypotézy.

A hoci to, ako sme si mohli len overiť, nie je celkom pravda, rozhodne môžeme konštatovať niečo iné: Newton dokázal jasne odlíšiť nesporné veci od nestálych a kontroverzných hypotéz. A v Živloch je vzorec veľkého zákona, ale nie je tu žiadny pokus vysvetliť jeho mechanizmus. Veľký fyzik odkázal túto hádanku mužovi budúcnosti. Zomrel v roku 1727. Nevyriešilo sa to ani dnes. Diskusia o fyzikálnej podstate Newtonovho zákona trvala dve storočia. A možno by sa táto diskusia netýkala samotnej podstaty zákona, keby odpovedal presne na všetky otázky, ktoré mu boli položené. Faktom však je, že časom sa ukázalo, že tento zákon nie je univerzálny. Že sú prípady, keď nevie vysvetliť ten či onen jav. Uveďme si príklady.

Gravitačná sila v Seeligerových výpočtoch

Prvým z nich je Seeligerov paradox. Seeliger, ktorý považoval vesmír za nekonečný a rovnomerne naplnený hmotou, sa pokúsil vypočítať podľa Newtonovho zákona univerzálnu gravitačnú silu vytvorenú celou nekonečne veľkou hmotnosťou nekonečného vesmíru v niektorých jeho bodoch. Z pohľadu čistej matematiky to nebola ľahká úloha. Po prekonaní všetkých ťažkostí najzložitejších transformácií Seeliger zistil, že požadovaná sila univerzálnej gravitácie je úmerná polomeru vesmíru. A keďže sa tento polomer rovná nekonečnu, potom musí byť gravitačná sila nekonečne veľká. V praxi to však nevidíme. To znamená, že zákon univerzálnej gravitácie neplatí pre celý vesmír. Možné sú však aj iné vysvetlenia paradoxu. Môžeme napríklad predpokladať, že hmota nevypĺňa rovnomerne celý Vesmír, ale jej hustota postupne klesá a nakoniec niekde veľmi ďaleko hmota vôbec nie je. No predstaviť si takýto obraz znamená pripustiť možnosť existencie priestoru bez hmoty, čo je vo všeobecnosti absurdné. Môžeme predpokladať, že gravitačná sila slabne rýchlejšie, ako rastie štvorec vzdialenosti. To však spochybňuje prekvapivú harmóniu Newtonovho zákona. Nie a toto vysvetlenie vedcov neuspokojilo. Paradox zostal paradoxom.

Pozorovania pohybu Merkúra

Ďalší fakt, pôsobenie sily univerzálnej gravitácie, nevysvetlený Newtonovým zákonom, priniesol pozorovanie pohybu Merkúra- najbližšie k planéte. Presné výpočty podľa Newtonovho zákona ukázali, že perehelion – bod elipsy, po ktorom sa Merkúr pohybuje najbližšie k Slnku – by sa mal za 100 rokov posunúť o 531 oblúkových sekúnd. A astronómovia zistili, že tento posun sa rovná 573 oblúkovým sekundám. Tento prebytok - 42 oblúkových sekúnd - vedci tiež nedokázali vysvetliť iba pomocou vzorcov vyplývajúcich z Newtonovho zákona. Vysvetlil ako Seeligerov paradox, tak aj premiestnenie Merkúrovho perhélia a mnohé ďalšie paradoxné javy a nevysvetliteľné skutočnosti. Albert Einstein, jeden z najväčších, ak nie najväčší skvelý fyzik všetky časy a národy. Medzi nepríjemné maličkosti patrila otázka éterický vietor.

Experimenty Alberta Michelsona

Zdalo sa, že táto otázka sa netýka priamo problému gravitácie. Týkal sa optiky, svetla. Presnejšie k definícii jeho rýchlosti. Dánsky astronóm ako prvý určil rýchlosť svetla. Olaf Remer sledovanie zatmenia mesiacov Jupitera. Stalo sa tak už v roku 1675. americký fyzik Albert Michelson v koniec XVIII storočia vykonal sériu stanovení rýchlosti svetla v pozemských podmienkach pomocou ním navrhnutého prístroja. V roku 1927 udával rýchlosť svetla 299796 + 4 km/s, čo bola na tie časy vynikajúca presnosť. Podstata veci je ale iná. V roku 1880 sa rozhodol preskúmať éterický vietor. Chcel konečne dokázať existenciu samotného éteru, ktorého prítomnosť sa snažila vysvetliť tak prenos gravitačnej interakcie, ako aj prenos svetelných vĺn. Michelson bol pravdepodobne najpozoruhodnejším experimentátorom svojej doby. Mal vynikajúce vybavenie. A úspechom si bol takmer istý.

Esencia skúsenosti

Skúsenosti bol koncipovaný takto. Zem sa na svojej obežnej dráhe pohybuje rýchlosťou asi 30 km/s.. Pohybuje sa vzduchom. To znamená, že rýchlosť svetla zo zdroja, ktorý je pred prijímačom vzhľadom na pohyb Zeme, musí byť väčšia ako zo zdroja, ktorý je na druhej strane. V prvom prípade treba k rýchlosti svetla pripočítať rýchlosť éterického vetra, v druhom prípade musí rýchlosť svetla o túto hodnotu klesnúť.
Pohyb Zeme na obežnej dráhe okolo Slnka. Samozrejme, rýchlosť Zeme na jej obežnej dráhe okolo Slnka je len jedna desaťtisícina rýchlosti svetla. Nájsť taký malý termín je veľmi ťažké, no Michelson bol z nejakého dôvodu nazývaný kráľom presnosti. Využil dômyselný spôsob, ako zachytiť „nepolapiteľný“ rozdiel v rýchlostiach svetelných lúčov. Lúč rozdelil na dva rovnaké prúdy a nasmeroval ich vo vzájomne kolmých smeroch: pozdĺž poludníka a pozdĺž rovnobežky. Lúče sa odrazili od zrkadiel a vrátili sa späť. Ak by na lúč idúci pozdĺž rovnobežky pôsobil vplyv éterického vetra, po pridaní k meridionálnemu lúču by mali vzniknúť interferenčné prúžky, vlny oboch lúčov by boli fázovo posunuté. Pre Michelsona však bolo ťažké zmerať dráhy oboch lúčov s takou veľkou presnosťou, aby boli úplne rovnaké. Preto postavil aparatúru tak, aby tam neboli žiadne rušivé prúžky, a potom ju otočil o 90 stupňov. Poludníkový lúč sa zmenil na zemepisnú šírku a naopak. Ak fúka éterický vietor, pod okulárom by sa mali objaviť čierne a svetlé pásiky! Ale neboli. Možno, že pri otáčaní zariadenia ho vedec posunul. Napoludnie ho postavil a opravil. Veď okrem toho sa aj otáča okolo osi. A preto v rôznych časoch dňa zaujíma zemepisný lúč inú polohu vzhľadom na prichádzajúci éterický vietor. Teraz, keď je prístroj prísne nehybný, možno sa presvedčiť o presnosti experimentu. Opäť neboli žiadne interferenčné prúžky. Experiment sa uskutočnil mnohokrát a Michelson a spolu s ním všetci fyzici tej doby boli ohromení. Éterický vietor nebol zistený! Svetlo sa šírilo všetkými smermi rovnakou rýchlosťou! Toto si nikto nevedel vysvetliť. Michelson opakoval experiment znova a znova, vylepšoval zariadenie a nakoniec dosiahol takmer neuveriteľnú presnosť merania, rádovo väčšiu, ako bolo potrebné pre úspech experimentu. A opäť nič!

Experimenty Alberta Einsteina

Ďalší veľký krok znalosť gravitačnej sily urobil Albert Einstein. Alberta Einsteina sa raz opýtali:

- Ako ste sa dostali k vašej špeciálnej teórii relativity? Za akých okolností ste prišli na geniálny nápad? Vedec odpovedal: „Vždy sa mi zdalo, že je to tak.

Možno nechcel byť úprimný, možno sa chcel zbaviť otravného partnera. Je však ťažké si predstaviť, že Einsteinova myšlienka spojenia medzi časom, priestorom a rýchlosťou bola vrodená. Nie, samozrejme, najprv tam bolo tušenie, jasné ako blesk. Potom začal vývoj. Nie, neexistujú žiadne rozpory so známymi javmi. A potom tu bolo tých päť strán bohaté na vzorce ktoré boli publikované vo fyzikálnom časopise. Stránky, ktoré sa otvorili Nová éra vo fyzike. Predstavte si vesmírnu loď letiacu vesmírom. Hneď vás varujeme: hviezdna loď je veľmi zvláštna, o ktorej ste nečítali v príbehoch sci-fi. Jeho dĺžka je 300 tisíc kilometrov a jeho rýchlosť je, povedzme, 240 tisíc km / s. A táto vesmírna loď preletí okolo jednej z medziľahlých plošín vo vesmíre bez toho, aby sa pri nej zastavila. V plnej rýchlosti. Jeden z pasažierov stojí na palube hviezdnej lode s hodinkami. A vy a ja, čitateľ, stojíme na plošine - jej dĺžka musí zodpovedať veľkosti hviezdnej lode, to znamená 300 tisíc kilometrov, inak sa na ňu nebude môcť držať. A v rukách máme aj hodinky. Všimli sme si, že v momente, keď prova hviezdnej lode dobehla zadný okraj našej plošiny, zablikala na nej lampa, ktorá osvetlila priestor okolo nej. O sekundu neskôr dosiahol lúč svetla predný okraj našej plošiny. Nepochybujeme o tom, pretože poznáme rýchlosť svetla a podarilo sa nám presne určiť zodpovedajúci okamih na hodinách. A na vesmírnej lodi... Ale aj vesmírna loď letela smerom k lúču svetla. A celkom určite sme videli, že svetlo osvetľovalo jeho kormu v momente, keď bola niekde blízko stredu nástupišťa. Definitívne sme videli, že lúč svetla neprešiel 300-tisíc kilometrov od provy po kormu lode. Cestujúci na palube hviezdnej lode sú si však istí niečím iným. Sú si istí, že ich lúč pokryl celú vzdialenosť od prove po kormu 300 tisíc kilometrov. Napokon na tom strávil celú sekundu. Aj oni to absolútne presne zaznamenali na hodinky. A ako by to mohlo byť inak: veď rýchlosť svetla nezávisí od rýchlosti zdroja... Ako to je? Vidíme jednu vec z pevnej plošiny a druhú im na palube hviezdnej lode? Čo sa deje?

Einsteinova teória relativity

Okamžite treba poznamenať: Einsteinova teória relativity na prvý pohľad to absolútne odporuje našej zavedenej predstave o štruktúre sveta. Dá sa povedať, že odporuje aj zdravému rozumu, ako ho zvykneme prezentovať. V histórii vedy sa to stalo mnohokrát. Ale objav guľovitého tvaru Zeme bol v rozpore so zdravým rozumom. Ako sa dá ďalej žiť opačná stranaľudí a nespadnúť do priepasti? Guľovitosť Zeme je pre nás nepochybným faktom a to z pohľadu o zdravý rozum akýkoľvek iný predpoklad je nezmyselný a divoký. Ale ustúpte od svojho času, predstavte si prvý objav tejto myšlienky a pochopíte, aké ťažké by bolo prijať ju. No bolo jednoduchšie priznať, že Zem nie je nehybná, ale letí po svojej trajektórii desaťkrát rýchlejšie ako delová guľa? Všetko to boli trosky zdravého rozumu. Moderní fyzici sa naň preto nikdy neodvolávajú. Teraz späť k špeciálnej teórii relativity. Svet ju prvýkrát spoznal v roku 1905 z článku, ktorý podpísal len málokto slávne meno - Albert Einstein. A to mal vtedy len 26 rokov. Einstein z tohto paradoxu vyvodil veľmi jednoduchý a logický predpoklad: z pohľadu pozorovateľa na plošine prešlo v idúcom aute menej času, ako namerali vaše náramkové hodinky. V aute sa plynutie času v porovnaní s časom na stojacom nástupišti spomalilo. Z tohto predpokladu logicky vyplývali celkom úžasné veci. Ukázalo sa, že človek cestujúci do práce v električke v porovnaní s chodcom idúcim rovnakou cestou nielenže šetrí čas vďaka rýchlosti, ale ide mu to aj pomalšie. Nesnažte sa však takto zachovať večnú mladosť: aj keď sa stanete kočičiarom a tretinu života strávite v električke, za 30 rokov získate sotva viac ako milióntinu sekundy. Aby sa zisk v čase stal viditeľným, je potrebné pohybovať sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Ukazuje sa, že zvýšenie rýchlosti telies sa odráža v ich hmotnosti. Čím je rýchlosť telesa bližšia k rýchlosti svetla, tým väčšia je jeho hmotnosť. Pri rýchlosti telesa rovnajúcej sa rýchlosti svetla sa jeho hmotnosť rovná nekonečnu, teda je väčšia ako hmotnosť Zeme, Slnka, Galaxie, celého nášho Vesmíru... Toľko hmoty dokáže byť sústredený v jednoduchej dlažobnej kocke, rozptýlenej rýchlosťou svetla! To ukladá obmedzenie, ktoré neumožňuje žiadnemu hmotnému telu vyvinúť rýchlosť rovnajúcu sa rýchlosti svetla. Koniec koncov, ako hmota rastie, je čoraz ťažšie ju rozptýliť. A nekonečná hmota sa nedá pohnúť žiadnou silou. Príroda však urobila z tohto zákona veľmi dôležitú výnimku pre celú triedu častíc. Napríklad pre fotóny. Môžu sa pohybovať rýchlosťou svetla. Presnejšie povedané, nemôžu sa pohybovať žiadnou inou rýchlosťou. Je nemysliteľné predstaviť si nehybný fotón. Keď stojí, nemá žiadnu hmotnosť. Neutrína tiež nemajú žiadnu pokojovú hmotnosť a sú tiež odsúdené na večný neobmedzený let vesmírom maximálnou možnou rýchlosťou v našom Vesmíre bez toho, aby predbiehali svetlo a držali s ním krok. Nie je pravda, že každý z nami uvedených dôsledkov špeciálnej teórie relativity je prekvapivý, paradoxný! A každý, samozrejme, je v rozpore so „zdravým rozumom“! Ale tu je to zaujímavé: nie vo svojej konkrétnej podobe, ale ako širokej filozofickej pozícii, všetky tieto úžasné dôsledky predpovedali zakladatelia dialektického materializmu. Čo hovoria tieto implikácie? O spojeniach, ktoré prepájajú energiu a hmotnosť, hmotnosť a rýchlosť, rýchlosť a čas, rýchlosť a dĺžku pohybujúceho sa objektu. .. Einsteinov objav vzájomnej závislosti, ako je cement, (viac:), spájajúci armatúru alebo základné kamene, spájal veci a javy, ktoré sa predtým zdali byť na sebe nezávislé, a vytvoril základ, na ktorom sa po prvý raz v dejinách vedy bolo možné postaviť harmonickú budovu. Táto budova je znázornením toho, ako funguje náš vesmír. Najprv však aspoň pár slov o všeobecnej teórii relativity, ktorú vytvoril aj Albert Einstein. Albert Einstein. Tento názov – všeobecná teória relativity – nie celkom korešponduje s obsahom teórie, o ktorej bude reč. Vytvára vzájomnú závislosť medzi priestorom a hmotou. Zrejme by bolo správnejšie to nazvať teória časopriestoru, alebo teória gravitácie. Ale toto meno sa tak zblížilo s Einsteinovou teóriou, že dokonca aj nastolenie otázky jeho nahradenia sa mnohým vedcom zdá neslušné. Všeobecná teória relativity stanovila vzájomnú závislosť medzi hmotou a časom a priestorom, ktoré ju obsahujú. Ukázalo sa, že priestor a čas si nielenže nemožno predstaviť ako existujúci oddelene od hmoty, ale ich vlastnosti závisia aj od hmoty, ktorá ich napĺňa. Einstein publikoval svoju všeobecnú teóriu relativity v roku 1916 a pracuje na nej od roku 1907. Nie je reálne snažiť sa to rozložiť na niekoľko strán bez použitia matematických vzorcov.

Východiskový bod diskusie

Preto možno len špecifikovať východiskový bod diskusie a vyvodiť niekoľko dôležitých záverov. Na začiatku cestovanie vesmírom nečakaná katastrofa zničila knižnicu, filmový fond a ďalšie úložiská mysle, pamäti ľudí lietajúcich vesmírom. A povaha pôvodnej planéty je v zmene storočí zabudnutá. Dokonca aj zákon univerzálnej gravitácie je zabudnutý, pretože raketa letí v medzigalaktickom priestore, kde ju takmer necítiť. Lodné motory však fungujú suverénne, zásoba energie v batériách je prakticky neobmedzená. Loď sa väčšinou pohybuje zotrvačnosťou a jej obyvatelia sú zvyknutí na stav beztiaže. Ale niekedy zapnú motory a spomalia alebo zrýchlia pohyb lode. Keď prúdové dýzy šľahajú do prázdna bezfarebným plameňom a loď sa pohybuje zrýchleným tempom, obyvatelia cítia, že ich telá ťažia, sú nútení chodiť po lodi a nelietať po chodbách. A teraz je let blízko dokončenia. Loď letí k jednej z hviezd a padá na obežnú dráhu najvhodnejšej planéty. Hviezdne lode zhasnú, kráčajú po sviežej zelenej zemi a neustále zažívajú rovnaký pocit ťažkosti, známy z čias, keď sa loď pohybovala zrýchleným tempom. Ale planéta sa pohybuje rovnomerne. Nedokáže k nim letieť s konštantným zrýchlením 9,8 m/s2! A majú prvý predpoklad, že gravitačné pole (gravitačná sila) a zrýchlenie majú rovnaký účinok a možno majú spoločnú povahu. Žiadny z našich pozemských súčasníkov nebol na takom dlhom lete, ale mnohí pocítili fenomén „váženia“ a „odľahčenia“ svojich tiel. Už obyčajný výťah, keď sa pohybuje zrýchleným tempom, vytvára tento vnem. Pri zostupe cítite náhly úbytok hmotnosti, pri stúpaní naopak podlaha tlačí na nohy väčšou silou, než je obvyklé. Ale jeden pocit nič nedokazuje. Koniec koncov, vnemy sa nás snažia presvedčiť, že Slnko sa pohybuje na oblohe okolo nehybnej Zeme, že všetky hviezdy a planéty sú od nás v rovnakej vzdialenosti, na nebeskej klenbe atď. Vedci podrobili vnemy experimentálne overenie. Dokonca aj Newton sa zamyslel nad zvláštnou identitou týchto dvoch fenoménov. Snažil sa im dať číselné charakteristiky. Po meraní gravitácie a , bol presvedčený, že ich hodnoty sú vždy navzájom prísne rovnaké. Z akýchkoľvek materiálov vyrobil kyvadlá pilotného zariadenia: zo striebra, olova, skla, soli, dreva, vody, zlata, piesku, pšenice. Výsledok bol rovnaký. Princíp ekvivalencie, o ktorom hovoríme, je základom všeobecnej teórie relativity, hoci moderný výklad teórie už tento princíp nepotrebuje. Vynechajúc matematické dedukcie, ktoré z tohto princípu vyplývajú, pristúpme priamo k niektorým dôsledkom všeobecnej teórie relativity. Prítomnosť veľkých hmôt hmoty výrazne ovplyvňuje okolitý priestor. Vedie v ňom k takým zmenám, ktoré možno definovať ako nehomogenity priestoru. Tieto nehomogenity riadia pohyb akýchkoľvek hmôt, ktoré sú blízko priťahujúceho telesa. Zvyčajne sa uchýlite k takejto analógii. Predstavte si plátno pevne natiahnuté na rám rovnobežný so zemským povrchom. Dajte na to veľkú váhu. Toto bude naša veľká priťahujúca masa. Tá, samozrejme, ohne plátno a skončí v nejakom výklenku. Teraz guľôčku prevaľujte cez toto plátno tak, aby časť jej dráhy ležala vedľa priťahujúcej hmoty. V závislosti od spôsobu vypustenia lopty sú možné tri možnosti.

1. Lopta poletí dostatočne ďaleko od vybrania vytvoreného priehybom plátna a nezmení svoj pohyb.
2. Lopta sa dotkne priehlbiny a línie jej pohybu sa ohýbajú smerom k priťahujúcej hmote.
3. Lopta spadne do tohto otvoru, nebude sa môcť z neho dostať a urobí jednu alebo dve otáčky okolo gravitujúcej hmoty.

Nie je pravda, že tretia možnosť veľmi krásne modeluje zachytenie cudzieho tela hviezdou alebo planétou nedbalo prileteného do ich príťažlivého poľa? A druhým prípadom je ohyb trajektórie telesa letiaceho rýchlosťou väčšou ako je možná rýchlosť zachytenia! Prvý prípad je podobný lietaniu mimo praktického dosahu gravitačného poľa. Áno, je to praktické, pretože teoreticky je gravitačné pole neobmedzené. Samozrejme, toto je veľmi vzdialená analógia, predovšetkým preto, že nikto si skutočne nevie predstaviť vychýlenie nášho trojrozmerného priestoru. Čo fyzický význam toto vychýlenie alebo zakrivenie, ako sa často hovorí, nikto nevie. Zo všeobecnej teórie relativity vyplýva, že každé hmotné teleso sa môže pohybovať v gravitačnom poli len po zakrivených čiarach. Iba v súkromí špeciálne príležitosti krivka sa stáva priamkou. Tomuto pravidlu sa riadi aj lúč svetla. Koniec koncov, pozostáva z fotónov, ktoré majú počas letu určitú hmotnosť. A gravitačné pole má naň vplyv, rovnako ako na molekulu, asteroid či planétu. Ďalším dôležitým záverom je, že gravitačné pole mení aj priebeh času. V blízkosti veľkej priťahujúcej hmoty, v silnom gravitačnom poli ňou vytvorenom, by čas mal byť pomalší ako preč od nej. Vidíte, a všeobecná teória relativity je plná paradoxných záverov, ktoré môžu znova a znova prevrátiť naše predstavy o „zdravom rozume“!

Gravitačný kolaps

Povedzme si niečo o úžasnom fenoméne kozmickej povahy – o gravitačnom kolapse (katastrofickej kompresii). K tomuto javu dochádza v gigantických nahromadeniach hmoty, kde gravitačné sily dosahujú také obrovské veľkosti, že im žiadne iné sily existujúce v prírode nedokážu odolať. Pamätajte na slávny Newtonov vzorec: gravitačná sila je tým väčšia menej štvorcový vzdialenosti medzi gravitačnými telesami. Čím je teda hmotný útvar hustejší, tým je jeho veľkosť menšia, čím rýchlejšie rastú gravitačné sily, tým nevyhnutnejšie je ich deštruktívne objatie. Existuje prefíkaná technika, pomocou ktorej príroda zápasí so zdanlivo neobmedzeným stláčaním hmoty. K tomu zastavuje samotný beh času vo sfére pôsobenia superobrích gravitačných síl a spútané masy hmoty sú akoby vypnuté z nášho Vesmíru, zamrznuté v podivnom letargickom sne. Prvá z týchto „čiernych dier“ kozmu už bola pravdepodobne objavená. Podľa predpokladu sovietskych vedcov O.Kh.Husejnova a A.Sh.Novruzovej ide o deltu Blížencov - dvojhviezdu s jednou neviditeľnou zložkou. Viditeľná zložka má hmotnosť 1,8 solar a jej neviditeľný „parťák“ by mal byť podľa výpočtov štyrikrát hmotnejší ako viditeľný. Ale nie sú po ňom žiadne stopy: nie je možné vidieť najúžasnejší výtvor prírody, „čiernu dieru“. Sovietsky vedec profesor K.P. Stanyukovich, ako sa hovorí „na špičke pera“, prostredníctvom čisto teoretických konštrukcií ukázal, že častice „zamrznutej hmoty“ môžu byť veľmi rôznorodé.

• Jeho gigantické formácie sú možné, podobne ako kvazary, ktoré nepretržite vyžarujú toľko energie, koľko vyžaruje všetkých 100 miliárd hviezd našej Galaxie.
• Možné sú oveľa skromnejšie zhluky, ktoré sa rovnajú len niekoľkým solárnym hmotám. Tieto aj iné predmety môžu samy pochádzať z bežnej, nie „spiacej“ hmoty.
• A sú možné formácie úplne inej triedy, úmerné hmotnosti elementárnym časticiam.

Aby mohli vzniknúť, je potrebné hmotu, ktorá ich vytvára, najskôr podrobiť gigantickému tlaku a zahnať ju do Schwarzschildovej sféry – sféry, kde sa čas pre vonkajšieho pozorovateľa úplne zastaví. A aj keď sa potom tlak dokonca odstráni, častice, pre ktoré sa zastavil čas, budú naďalej existovať nezávisle od nášho vesmíru.

plankeony

Autor hypotézy nazval takéto častice na počesť slávneho nemeckého fyzika Maxa Plancka - plankeóny. Plankeóny sú veľmi špeciálnou triedou častíc. Majú podľa K. P. Stanyukoviča mimoriadne zaujímavú vlastnosť: nosia v sebe hmotu v nezmenenej forme, ako tomu bolo pred miliónmi a miliardami rokov. Pri pohľade do vnútra plankeónu sme mohli vidieť hmotu takú, aká bola v čase zrodu nášho vesmíru. Podľa teoretických výpočtov je vo vesmíre asi 1080 plankeónov, približne jeden plankeón v kocke priestoru so stranou 10 centimetrov. Mimochodom, súčasne so Stanyukovičom a (nezávisle od neho hypotézu plankeónu predložil akademik MA Markov. Iba Markov im dal iné meno - maximóny. Niekedy paradoxné premeny elementárnych častíc sa možno pokúsiť vysvetliť špeciálnymi vlastnosťami Je známe, že pri dvoch časticiach sa nikdy nevytvoria úlomky, ale iné elementárne častice. To je skutočne úžasné: v bežnom svete, keď rozbijeme vázu, nikdy nezískame celé šálky alebo dokonca rozety. Predpokladajme však, že v hĺbke každej elementárnej častice je plankeón, jeden alebo niekoľko, a niekedy aj veľa plankeónov. V momente zrážky častíc sa pevne zviazané „vrecko“ plankeónu mierne pootvorí, nejaké častice doň „spadnú“ a namiesto „vyskočia“ tie, ktoré považujeme za vzniknuté pri zrážke. Plankeon zároveň ako usilovný účtovník zabezpečí všetky „ochranárske zákony“ prijaté vo svete elementárnych častíc. No a čo s tým má spoločné mechanizmus univerzálnej gravitácie? „Zodpovedné“ za gravitáciu sú podľa hypotézy K. P. Stanyukoviča drobné častice, takzvané gravitóny, nepretržite emitované elementárnymi časticami. Gravitóny sú oveľa menšie ako tie druhé, ako je zrnko prachu tancujúce v slnečnom lúči menšie ako zemeguľa. Žiarenie gravitónov sa riadi množstvom zákonitostí. Najmä ľahšie lietajú do tejto oblasti vesmíru. Ktorý obsahuje menej gravitónov. To znamená, že ak sú vo vesmíre dve nebeské telesá, obe budú vyžarovať gravitóny prevažne „von“ v opačných smeroch. Vznikne tak impulz, ktorý spôsobí, že sa telá k sebe približujú, priťahujú. Gravitóny opúšťajú svoje elementárne častice a odnášajú so sebou časť hmoty. Bez ohľadu na to, aké malé sú, strata hmoty nemôže byť časom viditeľná. Ale čas je nepredstaviteľne obrovský. Bude trvať asi 100 miliárd rokov, kým sa všetka hmota vo vesmíre zmení na gravitačné pole.
gravitačné pole. Ale je to všetko? Podľa K. P. Stanyukovicha je asi 95 percent hmoty ukrytých v plankeónoch rôznych veľkostí, je v stave letargického spánku, časom sa však plankeóny otvárajú a množstvo „normálnej“ hmoty narastá.

Zákon univerzálnej gravitácie objavil Newton v roku 1687 pri štúdiu pohybu mesačného satelitu okolo Zeme. Anglický fyzik jasne formuloval postulát charakterizujúci sily príťažlivosti. Navyše, analýzou Keplerovych zákonov Newton vypočítal, že príťažlivé sily musia existovať nielen na našej planéte, ale aj vo vesmíre.

Pozadie

Zákon univerzálnej gravitácie sa nezrodil spontánne. Od staroveku ľudia študovali oblohu, hlavne kvôli zostavovaniu poľnohospodárskych kalendárov a výpočtov dôležité dátumy, náboženské sviatky. Pozorovania naznačili, že v strede „sveta“ sa nachádza Luminárium (Slnko), okolo ktorého po dráhach krúžia nebeské telesá. Následne to cirkevné dogmy nedovoľovali myslieť a ľudia stratili vedomosti nahromadené za tisíce rokov.

V 16. storočí, pred vynálezom ďalekohľadov, sa objavila galaxia astronómov, ktorí sa na oblohu pozerali vedeckým spôsobom, odmietajúc zákazy cirkvi. T. Brahe, ktorý dlhé roky pozoroval vesmír, systematizoval pohyby planét so zvláštnou starostlivosťou. Tieto vysoko presné údaje pomohli I. Keplerovi následne objaviť tri z jeho zákonov.

V čase objavu (1667) Isaaca Newtona gravitačného zákona v astronómii bol konečne vytvorený heliocentrický systém sveta N. Kopernika. Podľa nej každá z planét sústavy obieha okolo Slnka po dráhach, ktoré pri aproximácii postačujúcej na mnohé výpočty možno považovať za kruhové. Na začiatku XVII storočia. I. Kepler, analyzujúc prácu T. Braheho, stanovil kinematické zákony, ktoré charakterizujú pohyby planét. Objav sa stal základom pre objasnenie dynamiky planét, teda síl, ktoré určujú práve tento typ ich pohybu.

Popis interakcie

Na rozdiel od krátkoperiodických slabých a silných interakcií majú gravitačné a elektromagnetické polia vlastnosti na veľké vzdialenosti: ich vplyv sa prejavuje na gigantické vzdialenosti. Mechanické javy v makrokozme ovplyvňujú 2 sily: elektromagnetická a gravitačná. Dopad planét na satelity, prelet opusteného alebo vypusteného objektu, vznášanie sa telesa v kvapaline - pri každom z týchto javov pôsobia gravitačné sily. Tieto objekty sú priťahované planétou, priťahujú sa k nej, odtiaľ názov "zákon univerzálnej gravitácie".

Bolo dokázané, že sila vzájomnej príťažlivosti určite pôsobí medzi fyzickými telami. Takéto javy, ako je pád predmetov na Zem, rotácia Mesiaca, planéty okolo Slnka, vyskytujúce sa pod vplyvom síl univerzálnej príťažlivosti, sa nazývajú gravitácia.

Zákon gravitácie: vzorec

Univerzálna gravitácia je formulovaná nasledovne: akékoľvek dva hmotné objekty sú k sebe priťahované určitou silou. Veľkosť tejto sily je priamo úmerná súčinu hmotností týchto objektov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

Vo vzorci sú m1 a m2 hmotnosti študovaných hmotných objektov; r je vzdialenosť určená medzi ťažiskami vypočítaných objektov; G je konštantná gravitačná veličina vyjadrujúca silu, ktorou dochádza k vzájomnému priťahovaniu dvoch predmetov s hmotnosťou 1 kg, ktoré sa nachádzajú vo vzdialenosti 1 m.

Od čoho závisí sila príťažlivosti?

Zákon univerzálnej gravitácie funguje odlišne v závislosti od regiónu. Keďže sila príťažlivosti závisí od hodnôt zemepisnej šírky na konkrétnom mieste, podobne aj gravitačné zrýchlenie má rôzne hodnoty na rôznych miestach. Maximálna hodnota gravitácie a teda aj zrýchlenie voľného pádu sú na póloch Zeme - gravitačná sila v týchto bodoch sa rovná sile príťažlivosti. Minimálne hodnoty budú na rovníku.

Zemeguľa je mierne sploštená, jej polárny polomer je menší ako rovníkový asi o 21,5 km. Táto závislosť je však v porovnaní s dennou rotáciou Zeme menej výrazná. Výpočty ukazujú, že v dôsledku sploštenosti Zeme na rovníku je hodnota zrýchlenia voľného pádu o 0,18% o niečo nižšia ako jeho hodnota na póle a pri dennej rotácii o 0,34%.

Na tom istom mieste na Zemi je však uhol medzi smerovými vektormi malý, takže nesúlad medzi príťažlivou silou a gravitačnou silou je zanedbateľný a možno ho pri výpočtoch zanedbať. To znamená, že môžeme predpokladať, že moduly týchto síl sú rovnaké - zrýchlenie voľného pádu v blízkosti povrchu Zeme je všade rovnaké a je približne 9,8 m / s².

Záver

Isaac Newton bol vedec, ktorý urobil vedeckú revolúciu, úplne prebudoval princípy dynamiky a na ich základe vytvoril vedecký obraz mier. Jeho objav ovplyvnil rozvoj vedy, tvorbu hmotnej a duchovnej kultúry. Newtonovmu osudu pripadlo prehodnotiť výsledky svojej koncepcie sveta. V 17. storočí vedci dokončili grandiózne dielo budovania nadácie nová veda- fyzika.

Prečo kameň uvoľnený z rúk padá na zem? Pretože ho priťahuje Zem, povie si každý z vás. V skutočnosti kameň padá na Zem zrýchlením voľného pádu. V dôsledku toho na kameň pôsobí sila smerujúca k Zemi zo strany Zeme. Podľa tretieho Newtonovho zákona kameň pôsobí aj na Zem rovnakým modulom sily smerujúcim ku kameňu. Inými slovami, medzi Zemou a kameňom pôsobia sily vzájomnej príťažlivosti.

Newton bol prvý, kto uhádol a potom prísne dokázal, že príčina pádu kameňa na Zem, pohyb Mesiaca okolo Zeme a planét okolo Slnka, je jedna a tá istá. Toto je gravitačná sila pôsobiaca medzi akýmikoľvek telesami vesmíru. Tu je priebeh jeho úvah uvedených v Newtonovom hlavnom diele „Matematické princípy prírodnej filozofie“:

„Kameň hodený vodorovne sa pôsobením gravitácie odchýli od priamej dráhy a po opísaní zakrivenej trajektórie nakoniec spadne na Zem. Ak ho hodíte vyššou rýchlosťou, potom bude padať ďalej“ (obr. 1).

Pokračujúc v týchto úvahách, Newton prichádza k záveru, že ak by nebol odpor vzduchu, potom by sa dráha kameňa hodeného z vysokej hory pri určitej rýchlosti mohla stať takou, že by nikdy nedosiahol zemský povrch, ale pohol by sa okolo toho „ako to, ako planéty opisujú svoje dráhy v nebeskom priestore.

Teraz sme si už natoľko zvykli na pohyb satelitov okolo Zeme, že netreba bližšie vysvetľovať Newtonovu myšlienku.

Pohyb Mesiaca okolo Zeme či planét okolo Slnka je teda podľa Newtona tiež voľným pádom, ale iba pádom, ktorý trvá bez zastavenia miliardy rokov. Dôvodom takéhoto „pádu“ (či už naozaj hovoríme o páde obyčajného kameňa na Zem alebo o pohybe planét po ich dráhach) je sila univerzálnej gravitácie. Od čoho závisí táto sila?

Závislosť gravitačnej sily od hmotnosti telies

Galileo dokázal, že počas voľného pádu Zem udeľuje rovnaké zrýchlenie všetkým telesám na danom mieste bez ohľadu na ich hmotnosť. Ale zrýchlenie je podľa druhého Newtonovho zákona nepriamo úmerné hmotnosti. Ako možno vysvetliť, že zrýchlenie, ktoré teleso udeľuje zemská gravitácia, je rovnaké pre všetky telesá? To je možné len vtedy, ak je sila príťažlivosti k Zemi priamo úmerná hmotnosti telesa. V tomto prípade zvýšenie hmotnosti m napríklad o faktor dva povedie k zvýšeniu modulu sily F sa tiež zdvojnásobí a zrýchlenie, ktoré sa rovná \(a = \frac (F)(m)\), zostane nezmenené. Zovšeobecnením tohto záveru pre gravitačné sily medzi akýmikoľvek telesami sme dospeli k záveru, že sila univerzálnej gravitácie je priamo úmerná hmotnosti telesa, na ktoré táto sila pôsobí.

Ale aspoň dve telá sa podieľajú na vzájomnej príťažlivosti. Každý z nich je podľa tretieho Newtonovho zákona vystavený rovnakému modulu gravitačných síl. Preto každá z týchto síl musí byť úmerná hmotnosti jedného telesa aj hmotnosti druhého telesa. Preto je sila univerzálnej gravitácie medzi dvoma telesami priamo úmerná súčinu ich hmotností:

\(F \sim m_1 \cdot m_2\)

Závislosť gravitačnej sily od vzdialenosti medzi telesami

Zo skúseností je dobre známe, že zrýchlenie voľného pádu je 9,8 m/s 2 a je rovnaké pre telesá padajúce z výšky 1, 10 a 100 m, to znamená, že nezávisí od vzdialenosti medzi telesom a zem. Zdá sa, že to znamená, že sila nezávisí od vzdialenosti. Newton však veril, že vzdialenosti by sa nemali merať od povrchu, ale od stredu Zeme. Ale polomer Zeme je 6400 km. Je jasné, že niekoľko desiatok, stoviek či dokonca tisícok metrov nad zemským povrchom nemôže výrazne zmeniť hodnotu zrýchlenia voľného pádu.

Aby sme zistili, ako vzdialenosť medzi telesami ovplyvňuje silu ich vzájomnej príťažlivosti, bolo by potrebné zistiť, aké je zrýchlenie telies vzdialených od Zeme na dostatočne veľké vzdialenosti. Voľný pád telesa z výšky tisícok kilometrov nad Zemou je však ťažké pozorovať a študovať. Ale samotná príroda tu prišla na pomoc a umožnila určiť zrýchlenie telesa pohybujúceho sa v kruhu okolo Zeme, a teda vlastniaceho dostredivé zrýchlenie, spôsobené samozrejme rovnakou silou príťažlivosti k Zemi. Takýmto telesom je prirodzený satelit Zeme – Mesiac. Ak by sila príťažlivosti medzi Zemou a Mesiacom nezávisela od vzdialenosti medzi nimi, potom by dostredivé zrýchlenie Mesiaca bolo rovnaké ako zrýchlenie telesa voľne padajúceho blízko povrchu Zeme. V skutočnosti je dostredivé zrýchlenie Mesiaca 0,0027 m/s 2 .

Poďme to dokázať. Revolúcia Mesiaca okolo Zeme nastáva pod vplyvom gravitačnej sily medzi nimi. Približne možno obežnú dráhu Mesiaca považovať za kruh. Preto Zem dodáva Mesiacu dostredivé zrýchlenie. Vypočíta sa podľa vzorca \(a = \frac (4 \pi^2 \cdot R)(T^2)\), kde R- polomer lunárnej obežnej dráhy, ktorý sa rovná približne 60 polomerom Zeme, T≈ 27 dní 7 h 43 min ≈ 2,4∙10 6 s je perióda obehu Mesiaca okolo Zeme. Vzhľadom na to, že polomer zeme R h ≈ 6,4∙10 6 m, dostaneme, že dostredivé zrýchlenie Mesiaca sa rovná:

\(a = \frac (4 \pi^2 \cdot 60 \cdot 6,4 \cdot 10^6)((2,4 \cdot 10^6)^2) \približne 0,0027\) m/s 2.

Zistená hodnota zrýchlenia je menšia ako zrýchlenie voľného pádu telies pri povrchu Zeme (9,8 m/s 2) približne 3600 = 60 2 krát.

Zväčšenie vzdialenosti medzi telom a Zemou 60-násobne teda viedlo k zníženiu zrýchlenia uvádzaného gravitácia, a následne samotná sila príťažlivosti o 60 2 krát.

To vedie k dôležitému záveru: zrýchlenie udeľované telesom príťažlivou silou k Zemi sa znižuje nepriamo úmerne k druhej mocnine vzdialenosti od stredu Zeme

\(F \sim \frac (1)(R^2)\).

Zákon gravitácie

V roku 1667 Newton konečne sformuloval zákon univerzálnej gravitácie:

\(F = G \cdot \frac (m_1 \cdot m_2)(R^2).\quad (1)\)

Sila vzájomnej príťažlivosti dvoch telies je priamo úmerná súčinu hmotností týchto telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi..

Faktor proporcionality G volal gravitačná konštanta.

Zákon gravitácie platí len pre telesá, ktorých rozmery sú zanedbateľne malé v porovnaní so vzdialenosťou medzi nimi. Inými slovami, je to len spravodlivé pre hmotné body . V tomto prípade sú sily gravitačnej interakcie smerované pozdĺž priamky spájajúcej tieto body (obr. 2). Takéto sily sa nazývajú centrálne.

Na zistenie gravitačnej sily pôsobiacej na dané teleso zo strany iného v prípade, že nemožno zanedbať veľkosť telies, postupujte nasledovne. Obe telá sú mentálne rozdelené na také malé prvky, že každý z nich možno považovať za bod. Sčítaním gravitačných síl pôsobiacich na každý prvok daného telesa zo všetkých prvkov iného telesa dostaneme silu pôsobiacu na tento prvok (obr. 3). Po vykonaní takejto operácie pre každý prvok daného telesa a sčítaní výsledných síl nájdu celkovú gravitačnú silu pôsobiacu na toto teleso. Táto úloha je náročná.

Existuje však jeden prakticky dôležitý prípad, keď sa vzorec (1) vzťahuje na predĺžené telesá. Dá sa dokázať, že guľové telesá, ktorých hustota závisí len od vzdialeností ich stredov, vo vzdialenostiach medzi nimi väčších ako súčet ich polomerov, sa priťahujú silami, ktorých moduly sú určené vzorcom (1). V tomto prípade R je vzdialenosť medzi stredmi loptičiek.

A napokon, keďže rozmery telies padajúcich na Zem sú oveľa menšie ako rozmery Zeme, možno tieto telesá považovať za bodové. Potom pod R vo vzorci (1) treba chápať vzdialenosť od daného telesa do stredu Zeme.

Medzi všetkými telesami existujú sily vzájomnej príťažlivosti v závislosti od samotných telies (ich hmotnosti) a od vzdialenosti medzi nimi.

Fyzikálny význam gravitačnej konštanty

Zo vzorca (1) zistíme

\(G = F \cdot \frac (R^2)(m_1 \cdot m_2)\).

Z toho vyplýva, že ak je vzdialenosť medzi telesami číselne rovná jednej ( R= 1 m) a hmotnosti interagujúcich telies sú tiež rovné jednote ( m 1 = m 2 = 1 kg), potom sa gravitačná konštanta číselne rovná modulu sily F. Touto cestou ( fyzický význam ),

gravitačná konštanta sa číselne rovná modulu gravitačnej sily pôsobiacej na teleso s hmotnosťou 1 kg od iného telesa rovnakej hmotnosti so vzdialenosťou medzi telesami rovnajúcou sa 1 m.

V SI je gravitačná konštanta vyjadrená ako

.

Cavendishova skúsenosť

Hodnota gravitačnej konštanty G možno nájsť iba empiricky. Aby ste to dosiahli, musíte zmerať modul gravitačnej sily F, pôsobiace na telesnú hmotu m 1 bočná telesná hmotnosť m 2 v známej vzdialenosti R medzi telami.

Prvé merania gravitačnej konštanty sa uskutočnili v polovici 18. storočia. Odhadnite, aj keď veľmi zhruba, hodnotu G v tom čase uspel v dôsledku uvažovania o priťahovaní kyvadla k hore, ktorej hmotnosť bola určená geologickými metódami.

Presné merania gravitačnej konštanty prvýkrát vykonal v roku 1798 anglický fyzik G. Cavendish pomocou zariadenia nazývaného torzné váhy. Schematicky je torzné vyváženie znázornené na obrázku 4.

Cavendish upevnil dve malé olovené guľôčky (s priemerom 5 cm a hmotnosťou m 1 = 775 g každý) na opačných koncoch dvojmetrovej tyče. Tyč bola zavesená na tenkom drôte. Pre tento drôt boli predbežne stanovené elastické sily vznikajúce v ňom pri krútení cez rôzne uhly. Dve veľké olovené gule (priemer 20 cm a váha m 2 = 49,5 kg) bolo možné priblížiť k malým loptičkám. Príťažlivé sily z veľkých guľôčok prinútili malé guľôčky pohybovať sa smerom k nim, zatiaľ čo natiahnutý drôt sa trochu skrútil. Stupeň skrútenia bol mierou sily pôsobiacej medzi loptičkami. Uhol skrútenia drôtu (alebo rotácie tyče s malými guľôčkami) sa ukázal byť taký malý, že ho bolo potrebné merať pomocou optickej trubice. Výsledok získaný Cavendishom sa len o 1% líši od hodnoty gravitačnej konštanty akceptovanej dnes:

G ≈ 6,67∙10 -11 (N∙m 2) / kg 2

Príťažlivé sily dvoch telies s hmotnosťou 1 kg, ktoré sú od seba vzdialené 1 m, sú teda v moduloch iba 6,67∙10 -11 N. To je veľmi malá sila. Len v prípade, keď telesá s obrovskou hmotnosťou interagujú (alebo aspoň hmotnosť jedného z telies je veľká), gravitačná sila sa zväčší. Napríklad Zem priťahuje Mesiac silou F≈ 2∙10 20 N.

Gravitačné sily sú „najslabšie“ zo všetkých síl prírody. Je to spôsobené tým, že gravitačná konštanta je malá. Ale pri veľké masy kozmických telies, sily univerzálnej gravitácie sú veľmi veľké. Tieto sily udržujú všetky planéty blízko Slnka.

Význam gravitačného zákona

Zákon univerzálnej gravitácie je základom nebeskej mechaniky - vedy o pohybe planét. Pomocou tohto zákona sa s veľkou presnosťou určujú polohy nebeských telies na nebeskej klenbe na dlhé desaťročia a vypočítavajú sa ich trajektórie. Zákon univerzálnej gravitácie sa používa aj pri výpočtoch pohybu umelých zemských satelitov a medziplanetárnych automatických vozidiel.

Poruchy v pohybe planét. Planéty sa nepohybujú striktne podľa Keplerovych zákonov. Keplerove zákony by sa pri pohybe danej planéty prísne dodržiavali len vtedy, ak by táto planéta ako jediná obiehala okolo Slnka. Ale v slnečná sústava Existuje veľa planét, všetky sú priťahované Slnkom a navzájom. Preto dochádza k poruchám v pohybe planét. V slnečnej sústave sú poruchy malé, pretože príťažlivosť planéty Slnkom je oveľa silnejšia ako príťažlivosť iných planét. Pri výpočte zdanlivej polohy planét treba brať do úvahy poruchy. Pri spúšťaní umelých nebeských telies a pri výpočte ich dráh využívajú približnú teóriu pohybu nebeských telies – poruchovú teóriu.

Objav Neptúna. Jeden z jasné príklady Triumfom zákona univerzálnej gravitácie je objav planéty Neptún. V roku 1781 objavil anglický astronóm William Herschel planétu Urán. Vypočítala sa jej dráha a zostavila sa tabuľka polôh tejto planéty na dlhé roky dopredu. Kontrola tejto tabuľky vykonaná v roku 1840 však ukázala, že jej údaje sa líšia od skutočnosti.

Vedci predpokladajú, že odchýlka v pohybe Uránu je spôsobená príťažlivosťou neznámej planéty, ktorá sa nachádza ešte ďalej od Slnka ako Urán. Angličan Adams a Francúz Leverrier, ktorí poznali odchýlky od vypočítanej trajektórie (poruchy v pohybe Uránu), pomocou zákona univerzálnej gravitácie vypočítali polohu tejto planéty na oblohe. Adams dokončil výpočty skôr, ale pozorovatelia, ktorým oznámil svoje výsledky, sa s overovaním neponáhľali. Medzitým Leverrier po dokončení výpočtov ukázal nemeckému astronómovi Halleovi miesto, kde ho hľadať neznáma planéta. Hneď v prvý večer, 28. septembra 1846, Halle namieril ďalekohľad na označené miesto a objavil nová planéta. Dali jej meno Neptún.

Rovnakým spôsobom bola 14. marca 1930 objavená planéta Pluto. Oba objavy vraj boli urobené „na špičke pera“.

Pomocou zákona univerzálnej gravitácie môžete vypočítať hmotnosť planét a ich satelitov; vysvetliť javy ako príliv a odliv vody v oceánoch a mnohé ďalšie.

Sily univerzálnej gravitácie sú najuniverzálnejšie zo všetkých síl prírody. Pôsobia medzi akýmikoľvek telesami, ktoré majú hmotnosť, a všetky telesá majú hmotnosť. Neexistujú žiadne prekážky pre gravitačné sily. Pôsobia prostredníctvom akéhokoľvek tela.

Literatúra

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fyzika: Proc. pre 9 buniek. priem. škola - M.: Osveta, 1992. - 191 s.
2. Fyzika: Mechanika. 10. ročník: Proc. pre hĺbkové štúdium fyziky / M.M. Balashov, A.I. Gomonová, A.B. Dolitsky a ďalší; Ed. G.Ya. Myakišev. – M.: Drop, 2002. – 496 s.

Medzi akýmikoľvek telesami v prírode existuje sila vzájomnej príťažlivosti, tzv gravitačná sila(alebo gravitácia). objavil Isaac Newton v roku 1682. Keď mal ešte 23 rokov, navrhol, že sily, ktoré udržujú Mesiac na jeho obežnej dráhe, sú rovnakej povahy ako sily, ktoré spôsobujú pád jablka na Zem.

Gravitácia (mg) smeruje vertikálne striktne do stredu zeme; v závislosti od vzdialenosti k povrchu zemegule je zrýchlenie voľného pádu rôzne. Na povrchu Zeme v stredných zemepisných šírkach je jeho hodnota asi 9,8 m/s2. keď sa budete vzďaľovať od povrchu zeme g klesá.

Telesná hmotnosť (hmotnosť sily) – je sila, ktorou telo pôsobívodorovnú podporu alebo natiahne zavesenie. Predpokladá sa, že telo stacionárne vzhľadom na podperu alebo zavesenie. Nechajte telo ležať na vodorovnom stole, ktorý je nehybný vzhľadom na Zem. Označené písmenom R.

Telesná hmotnosť a gravitácia sú svojou povahou odlišné: telesná hmotnosť je prejavom pôsobenia medzimolekulových síl a gravitácia má gravitačný charakter.

Ak zrýchlenie a = 0 , potom sa hmotnosť rovná sile, ktorou je teleso priťahované k Zemi, a to. [P] = H.

Ak je stav iný, hmotnosť sa zmení:

• ak zrýchlenie a nerovná sa 0 , potom hmotnosť P \u003d mg - ma (dole) resp P = mg + ma (hore);
• ak teleso padá voľne alebo sa pohybuje zrýchlením voľného pádu, t.j. a =g(obr. 2), potom sa telesná hmotnosť rovná 0 (P = 0 ). Stav telesa, v ktorom je jeho hmotnosť nulová, sa nazýva stav beztiaže.

V stav beztiaže sú tam aj astronauti. V stav beztiaže momentálne ste to aj vy, keď sa odrazíte pri hraní basketbalu alebo tanci.

Domáci pokus: Plastová fľaša s otvorom na dne je naplnená vodou. Z určitej výšky uvoľníme z rúk. Kým fľaša padá, voda z otvoru nevyteká.

Hmotnosť telesa pohybujúceho sa zrýchlením (vo výťahu) Teleso vo výťahu zažíva preťaženie