heim » Die Küche » Was ist Schwerkraft? Gravitationskräfte: Definition, Formel, Typen. Gesetz der Schwerkraft

Was ist Schwerkraft? Gravitationskräfte: Definition, Formel, Typen. Gesetz der Schwerkraft

Das wichtigste von Physikern ständig untersuchte Phänomen ist die Bewegung. Elektromagnetische Phänomene, Gesetze der Mechanik, Thermodynamik und Quantenprozesse – all dies ist eine breite Palette von Fragmenten des Universums, die von der Physik untersucht werden. Und all diese Prozesse laufen auf die eine oder andere Weise auf eines hinaus – darauf.

In Kontakt mit

Alles im Universum bewegt sich. Die Schwerkraft ist für alle Menschen seit ihrer Kindheit ein Phänomen; wir wurden im Gravitationsfeld unseres Planeten geboren; dieses physikalische Phänomen wird von uns auf der tiefsten intuitiven Ebene wahrgenommen und bedarf anscheinend nicht einmal einer Untersuchung.

Aber leider ist die Frage, warum und Wie ziehen sich alle Körper gegenseitig an?, ist bis heute nicht vollständig geklärt, obwohl es umfassend untersucht wurde.

In diesem Artikel werden wir uns mit der universellen Anziehung nach Newton befassen – der klassischen Theorie der Schwerkraft. Bevor wir jedoch zu Formeln und Beispielen übergehen, werden wir über den Kern des Problems der Anziehung sprechen und ihm eine Definition geben.

Vielleicht wurde das Studium der Schwerkraft zum Beginn der Naturphilosophie (der Wissenschaft vom Verständnis des Wesens der Dinge), vielleicht warf die Naturphilosophie die Frage nach dem Wesen der Schwerkraft auf, aber auf die eine oder andere Weise auch die Frage nach der Schwerkraft von Körpern begann sich für das antike Griechenland zu interessieren.

Unter Bewegung wurde die Essenz der Sinneseigenschaft des Körpers verstanden, bzw. der Körper bewegte sich, während der Betrachter ihn sah. Wenn wir ein Phänomen nicht messen, wiegen oder fühlen können, heißt das dann, dass dieses Phänomen nicht existiert? Das heißt natürlich nicht. Und da Aristoteles dies verstand, begannen Überlegungen zum Wesen der Schwerkraft.

Wie sich heute, nach vielen Jahrhunderten, herausstellt, ist die Schwerkraft nicht nur die Grundlage der Schwerkraft und der Anziehungskraft unseres Planeten, sondern auch die Grundlage für die Entstehung des Universums und fast aller existierenden Elementarteilchen.

Bewegungsaufgabe

Machen wir ein Gedankenexperiment. Nehmen wir einen kleinen Ball in die linke Hand. Nehmen wir das Gleiche auf der rechten Seite. Lassen wir den richtigen Ball los und er beginnt herunterzufallen. Der Linke bleibt in der Hand, er ist noch immer bewegungslos.

Stoppen wir geistig den Lauf der Zeit. Der fallende rechte Ball „hängt“ in der Luft, der linke bleibt noch in der Hand. Der rechte Ball ist mit der „Energie“ der Bewegung ausgestattet, der linke nicht. Aber was ist der tiefe, bedeutungsvolle Unterschied zwischen ihnen?

Wo, in welchem Teil des fallenden Balls steht geschrieben, dass er sich bewegen soll? Es hat die gleiche Masse, das gleiche Volumen. Es hat die gleichen Atome und sie unterscheiden sich nicht von den Atomen einer ruhenden Kugel. Ball hat? Ja, das ist die richtige Antwort, aber woher weiß der Ball, was potenzielle Energie hat und wo sie darin gespeichert ist?

Genau dieser Aufgabe haben sich Aristoteles, Newton und Albert Einstein gestellt. Und alle drei brillanten Denker haben dieses Problem teilweise für sich gelöst, aber heute gibt es eine Reihe von Problemen, die einer Lösung bedürfen.

Newtons Schwerkraft

Im Jahr 1666 entdeckte der größte englische Physiker und Mechaniker I. Newton ein Gesetz, das die Kraft quantitativ berechnen kann, aufgrund derer alle Materie im Universum zueinander tendiert. Dieses Phänomen wird universelle Schwerkraft genannt. Wenn Sie gefragt werden: „Formulieren Sie das Gesetz der universellen Gravitation“, sollte Ihre Antwort so klingen:

Die Kraft der Gravitationswechselwirkung, die zur Anziehung zweier Körper beiträgt, wird lokalisiert in direktem Verhältnis zu den Massen dieser Körper und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen.

Wichtig! Newtons Anziehungsgesetz verwendet den Begriff „Entfernung“. Unter diesem Begriff ist nicht der Abstand zwischen den Oberflächen von Körpern zu verstehen, sondern der Abstand zwischen ihren Schwerpunkten. Liegen beispielsweise zwei Kugeln mit den Radien r1 und r2 übereinander, dann ist der Abstand zwischen ihren Oberflächen gleich Null, es entsteht aber eine Anziehungskraft. Die Sache ist, dass der Abstand zwischen ihren Mittelpunkten r1+r2 ungleich Null ist. Im kosmischen Maßstab ist diese Klarstellung nicht wichtig, aber für einen Satelliten im Orbit entspricht dieser Abstand der Höhe über der Oberfläche plus dem Radius unseres Planeten. Der Abstand zwischen der Erde und dem Mond wird auch als Abstand zwischen ihren Mittelpunkten und nicht als Abstand ihrer Oberflächen gemessen.

Für das Schwerkraftgesetz lautet die Formel wie folgt:

F – Anziehungskraft,
– Massen,
r – Abstand,
G – Gravitationskonstante gleich 6,67·10−11 m³/(kg·s²).

Was ist Gewicht, wenn wir nur die Schwerkraft betrachten?

Kraft ist eine Vektorgröße, wird aber im Gesetz der universellen Gravitation traditionell als Skalar geschrieben. In einem Vektorbild sieht das Gesetz so aus:

Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Kraft umgekehrt proportional zur dritten Potenz des Abstands zwischen den Zentren ist. Die Beziehung sollte als Einheitsvektor wahrgenommen werden, der von einem Zentrum zum anderen gerichtet ist:

Gesetz der Gravitationswechselwirkung

Gewicht und Schwerkraft

Wenn man das Gesetz der Schwerkraft betrachtet, kann man verstehen, dass es für uns persönlich nicht überraschend ist Wir spüren, dass die Schwerkraft der Sonne viel schwächer ist als die der Erde. Obwohl die massereiche Sonne eine große Masse hat, ist sie sehr weit von uns entfernt. ist ebenfalls weit von der Sonne entfernt, wird aber von ihr angezogen, da sie eine große Masse hat. Wie man die Gravitationskraft zweier Körper ermittelt, nämlich wie man die Gravitationskraft der Sonne, der Erde und von Ihnen und mir berechnet – mit diesem Thema werden wir uns etwas später befassen.

Soweit wir wissen, ist die Schwerkraft:

Dabei ist m unsere Masse und g die Beschleunigung des freien Falls der Erde (9,81 m/s 2).

Wichtig! Es gibt nicht zwei, drei oder zehn Arten von Anziehungskräften. Die Schwerkraft ist die einzige Kraft, die ein quantitatives Merkmal der Anziehung liefert. Gewicht (P = mg) und Gravitationskraft sind dasselbe.

Wenn m unsere Masse ist, M die Masse des Globus ist, R sein Radius ist, dann ist die auf uns wirkende Gravitationskraft gleich:

Da F = mg gilt:

Die Massen m werden reduziert und es bleibt der Ausdruck für die Beschleunigung des freien Falls:

Wie wir sehen können, ist die Erdbeschleunigung tatsächlich ein konstanter Wert, da ihre Formel konstante Größen enthält – den Radius, die Masse der Erde und die Gravitationskonstante. Durch Ersetzen der Werte dieser Konstanten stellen wir sicher, dass die Erdbeschleunigung 9,81 m/s 2 beträgt.

Auf verschiedenen Breitengraden unterscheidet sich der Radius des Planeten geringfügig, da die Erde immer noch keine perfekte Kugel ist. Aus diesem Grund ist die Beschleunigung des freien Falls an einzelnen Punkten auf der Erde unterschiedlich.

Kehren wir zur Anziehungskraft der Erde und der Sonne zurück. Versuchen wir anhand eines Beispiels zu beweisen, dass der Globus Sie und mich stärker anzieht als die Sonne.

Nehmen wir der Einfachheit halber die Masse einer Person: m = 100 kg. Dann:

Der Abstand zwischen Mensch und Globus entspricht dem Radius des Planeten: R = 6,4∙10 6 m.
Die Masse der Erde beträgt: M ≈ 6∙10 24 kg.
Die Masse der Sonne beträgt: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
Abstand zwischen unserem Planeten und der Sonne (zwischen Sonne und Mensch): r=15∙10 10 m.

Anziehungskraft zwischen Mensch und Erde:

Dieses Ergebnis ist aus dem einfacheren Ausdruck für das Gewicht (P = mg) ziemlich offensichtlich.

Die Anziehungskraft zwischen Mensch und Sonne:

Wie wir sehen, zieht uns unser Planet fast 2000-mal stärker an.

Wie findet man die Anziehungskraft zwischen Erde und Sonne? Auf die folgende Weise:

Jetzt sehen wir, dass die Sonne unseren Planeten mehr als eine Milliarde Mal stärker anzieht als der Planet Sie und mich.

Erste Fluchtgeschwindigkeit

Nachdem Isaac Newton das Gesetz der universellen Gravitation entdeckt hatte, interessierte er sich dafür, wie schnell ein Körper geschleudert werden muss, damit er, nachdem er das Gravitationsfeld überwunden hat, den Globus für immer verlässt.

Allerdings stellte er sich das etwas anders vor, in seinem Verständnis handelte es sich nicht um eine senkrecht stehende Rakete, die in den Himmel zielte, sondern um einen Körper, der horizontal von der Spitze eines Berges sprang. Dies war eine logische Illustration, weil Oben auf dem Berg ist die Schwerkraft etwas geringer.

Am Gipfel des Everest beträgt die Erdbeschleunigung also nicht die üblichen 9,8 m/s 2 , sondern fast m/s 2 . Aus diesem Grund ist die Luft dort so dünn, dass die Luftpartikel nicht mehr so stark an die Schwerkraft gebunden sind wie diejenigen, die an die Oberfläche „gefallen“ sind.

Versuchen wir herauszufinden, was die Fluchtgeschwindigkeit ist.

Die erste Fluchtgeschwindigkeit v1 ist die Geschwindigkeit, mit der der Körper die Erdoberfläche (oder einen anderen Planeten) verlässt und in eine Kreisbahn eintritt.

Versuchen wir herauszufinden, welchen Zahlenwert dieser Wert für unseren Planeten hat.

Schreiben wir das zweite Newtonsche Gesetz für einen Körper auf, der sich auf einer Kreisbahn um einen Planeten dreht:

Dabei ist h die Höhe des Körpers über der Oberfläche und R der Radius der Erde.

Im Orbit unterliegt ein Körper einer Zentrifugalbeschleunigung, also:

Reduziert man die Massen, erhält man:

Diese Geschwindigkeit wird als erste Fluchtgeschwindigkeit bezeichnet:

Wie Sie sehen, ist die Fluchtgeschwindigkeit absolut unabhängig von der Körpermasse. Somit verlässt jedes Objekt, das auf eine Geschwindigkeit von 7,9 km/s beschleunigt wird, unseren Planeten und tritt in seine Umlaufbahn ein.

Erste Fluchtgeschwindigkeit

Zweite Fluchtgeschwindigkeit

Doch selbst wenn wir den Körper auf die erste Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt haben, werden wir seine gravitative Verbindung mit der Erde nicht vollständig aufheben können. Deshalb brauchen wir eine zweite Fluchtgeschwindigkeit. Wenn diese Geschwindigkeit erreicht ist, beginnt der Körper verlässt das Gravitationsfeld des Planeten und alle möglichen geschlossenen Umlaufbahnen.

Wichtig! Es wird oft fälschlicherweise angenommen, dass Astronauten, um zum Mond zu gelangen, die zweite Fluchtgeschwindigkeit erreichen mussten, weil sie sich zunächst vom Gravitationsfeld des Planeten „abkoppeln“ mussten. Dies ist jedoch nicht der Fall: Das Erde-Mond-Paar befindet sich im Gravitationsfeld der Erde. Ihr gemeinsamer Schwerpunkt liegt innerhalb der Erdkugel.

Um diese Geschwindigkeit zu finden, stellen wir das Problem etwas anders. Nehmen wir an, ein Körper fliegt aus der Unendlichkeit zu einem Planeten. Frage: Welche Geschwindigkeit wird bei der Landung an der Oberfläche erreicht (natürlich ohne Berücksichtigung der Atmosphäre)? Das ist genau die Geschwindigkeit Der Körper muss den Planeten verlassen.

Zweite Fluchtgeschwindigkeit

Schreiben wir den Energieerhaltungssatz auf:

wobei auf der rechten Seite der Gleichheit die Arbeit der Schwerkraft steht: A = Fs.

Daraus erhalten wir, dass die zweite Fluchtgeschwindigkeit gleich ist:

Somit ist die zweite Fluchtgeschwindigkeit um ein Vielfaches größer als die erste:

Das Gesetz der universellen Gravitation. Physik 9. Klasse

Gesetz der universellen Gravitation.

Abschluss

Wir haben gelernt, dass, obwohl die Schwerkraft die Hauptkraft im Universum ist, viele der Gründe für dieses Phänomen immer noch ein Rätsel sind. Wir haben gelernt, was Newtons Kraft der universellen Gravitation ist, haben gelernt, sie für verschiedene Körper zu berechnen, und haben auch einige nützliche Konsequenzen untersucht, die sich aus einem Phänomen wie dem universellen Gesetz der Schwerkraft ergeben.

Sie haben wahrscheinlich gehört, dass die Schwerkraft keine Kraft ist. Und das ist die Wahrheit. Diese Wahrheit lässt jedoch viele Fragen offen. Wir sagen zum Beispiel normalerweise, dass die Schwerkraft Objekte „zieht“. Im Physikunterricht wurde uns gesagt, dass die Schwerkraft Objekte in Richtung Erdmittelpunkt zieht. Aber wie ist das möglich? Wie kann die Schwerkraft keine Kraft sein und dennoch Objekte anziehen?

Das erste, was man verstehen muss, ist, dass der korrekte Begriff „Beschleunigung“ und nicht „Anziehung“ ist. Tatsächlich zieht die Schwerkraft überhaupt keine Objekte an, sie verformt das Raum-Zeit-System (das System, in dem wir leben), Objekte folgen den durch die Verformung entstehenden Wellen und können manchmal beschleunigen.

Dank Albert Einstein und seiner Relativitätstheorie wissen wir, dass sich die Raumzeit unter dem Einfluss von Energie verändert. Und der wichtigste Teil dieser Gleichung ist die Masse. Die Energie der Masse eines Objekts bewirkt eine Veränderung der Raumzeit. Masse krümmt die Raumzeit und die daraus resultierenden Krümmungen kanalisieren Energie. Daher ist es zutreffender, sich die Schwerkraft nicht als Kraft, sondern als Krümmung der Raumzeit vorzustellen. So wie eine Gummibeschichtung unter einer Bowlingkugel gebogen wird, wird die Raumzeit durch massive Objekte gebogen.

So wie ein Auto auf einer Straße mit verschiedenen Kurven und Wendungen fährt, bewegen sich Objekte entlang ähnlicher Kurven und Kurven in Raum und Zeit. Und so wie ein Auto einen Hügel hinunter beschleunigt, erzeugen massive Objekte extreme Raum- und Zeitkrümmungen. Die Schwerkraft ist in der Lage, Objekte zu beschleunigen, wenn sie in tiefe Schwerkraftschächte eindringen. Dieser Weg, dem Objekte durch die Raumzeit folgen, wird als „geodätische Flugbahn“ bezeichnet.

Um besser zu verstehen, wie die Schwerkraft funktioniert und wie sie Objekte beschleunigen kann, betrachten Sie die Position von Erde und Mond relativ zueinander. Die Erde ist ein ziemlich massives Objekt, zumindest im Vergleich zum Mond, und unser Planet führt zu einer Krümmung der Raumzeit. Der Mond dreht sich um die Erde aufgrund von Raum- und Zeitverzerrungen, die durch die Masse des Planeten verursacht werden. Der Mond bewegt sich also einfach entlang der resultierenden Krümmung der Raumzeit, die wir Umlaufbahn nennen. Der Mond spürt keine Kraft, die auf ihn einwirkt, er folgt lediglich einem bestimmten, entstandenen Weg.

Seit der Antike hat die Menschheit darüber nachgedacht, wie die Welt um uns herum funktioniert. Warum wächst Gras, warum scheint die Sonne, warum können wir nicht fliegen ... Letzteres hat die Menschen übrigens schon immer besonders interessiert. Jetzt wissen wir, dass die Schwerkraft der Grund für alles ist. Was es ist und warum dieses Phänomen im Maßstab des Universums so wichtig ist, werden wir heute betrachten.

Einführender Teil

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich alle massiven Körper gegenseitig anziehen. Später stellte sich heraus, dass diese mysteriöse Kraft auch die Bewegung der Himmelskörper auf ihren konstanten Umlaufbahnen bestimmt. Die eigentliche Theorie der Schwerkraft wurde von einem Genie formuliert, dessen Hypothesen die Entwicklung der Physik für viele Jahrhunderte vorherbestimmten. Albert Einstein, einer der größten Geister des letzten Jahrhunderts, entwickelte und führte diese Lehre weiter (wenn auch in eine völlig andere Richtung).

Seit Jahrhunderten beobachten Wissenschaftler die Schwerkraft und versuchen, sie zu verstehen und zu messen. Schließlich wurde in den letzten Jahrzehnten sogar ein Phänomen wie die Schwerkraft in den Dienst der Menschheit gestellt (natürlich in gewissem Sinne). Was ist das, was ist die Definition des betreffenden Begriffs in der modernen Wissenschaft?

Wissenschaftliche Definition

Wenn Sie die Werke antiker Denker studieren, können Sie herausfinden, dass das lateinische Wort „gravitas“ „Schwerkraft“, „Anziehung“ bedeutet. Heute bezeichnen Wissenschaftler dies als die universelle und ständige Wechselwirkung zwischen materiellen Körpern. Wenn diese Kraft relativ schwach ist und nur auf Objekte wirkt, die sich viel langsamer bewegen, dann ist Newtons Theorie auf sie anwendbar. Wenn die Situation umgekehrt ist, sollten Einsteins Schlussfolgerungen verwendet werden.

Machen wir gleich einen Vorbehalt: Derzeit ist die Natur der Schwerkraft prinzipiell noch nicht vollständig verstanden. Wir verstehen immer noch nicht ganz, was es ist.

Theorien von Newton und Einstein

Nach der klassischen Lehre von Isaac Newton ziehen sich alle Körper gegenseitig mit einer Kraft an, die direkt proportional zu ihrer Masse und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist. Einstein argumentierte, dass sich die Schwerkraft zwischen Objekten im Fall der Krümmung von Raum und Zeit manifestiert (und die Krümmung des Raums ist nur möglich, wenn sich darin Materie befindet).

Diese Idee war sehr tiefgreifend, aber moderne Forschungen beweisen, dass sie etwas ungenau ist. Heute geht man davon aus, dass die Schwerkraft im Weltraum den Raum nur verbiegt: Die Zeit kann verlangsamt und sogar angehalten werden, aber die Realität der Formänderung temporärer Materie wurde theoretisch nicht bestätigt. Daher sieht Einsteins klassische Gleichung nicht einmal die Möglichkeit vor, dass der Raum weiterhin Einfluss auf die Materie und das daraus resultierende Magnetfeld hat.

Am bekanntesten ist das Gesetz der Schwerkraft (universelle Gravitation), dessen mathematischer Ausdruck Newton gehört:

\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ bezieht sich auf die Gravitationskonstante (manchmal wird das Symbol G verwendet), deren Wert 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²) beträgt.

Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen

Die unglaubliche Komplexität des Raums um uns herum ist zu einem großen Teil auf die unendliche Anzahl an Elementarteilchen zurückzuführen. Es gibt auch verschiedene Wechselwirkungen zwischen ihnen auf Ebenen, die wir nur erahnen können. Allerdings unterscheiden sich alle Arten der Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen deutlich in ihrer Stärke.

Die stärksten Kräfte, die wir kennen, verbinden die Bestandteile des Atomkerns. Um sie zu trennen, muss man wirklich enorm viel Energie aufwenden. Was Elektronen betrifft, so werden sie nur durch gewöhnliche Elektronen an den Kern „gebunden“. Um ihn zu stoppen, reicht manchmal die Energie aus, die als Ergebnis der gewöhnlichsten chemischen Reaktion entsteht. Die Schwerkraft (Sie wissen bereits, was sie ist) in Form von Atomen und subatomaren Teilchen ist die einfachste Art der Wechselwirkung.

Das Gravitationsfeld ist in diesem Fall so schwach, dass man es sich kaum vorstellen kann. Seltsamerweise „überwachen“ sie die Bewegung von Himmelskörpern, deren Masse man sich manchmal nicht vorstellen kann. All dies ist dank zweier Eigenschaften der Schwerkraft möglich, die bei großen physischen Körpern besonders ausgeprägt sind:

Im Gegensatz zu atomaren ist es aus größerer Entfernung vom Objekt auffälliger. So hält die Schwerkraft der Erde sogar den Mond in ihrem Feld, und eine ähnliche Kraft des Jupiter unterstützt problemlos die Umlaufbahnen mehrerer Satelliten gleichzeitig, deren Masse durchaus mit der der Erde vergleichbar ist!
Darüber hinaus sorgt es immer für eine Anziehung zwischen Objekten, und mit der Entfernung schwächt sich diese Kraft bei geringer Geschwindigkeit ab.

Die Bildung einer mehr oder weniger kohärenten Gravitationstheorie erfolgte vor relativ kurzer Zeit und basierte genau auf den Ergebnissen jahrhundertealter Beobachtungen der Bewegung von Planeten und anderen Himmelskörpern. Die Aufgabe wurde durch die Tatsache erheblich erleichtert, dass sie sich alle in einem Vakuum bewegen, in dem es einfach keine anderen wahrscheinlichen Wechselwirkungen gibt. Galileo und Kepler, zwei herausragende Astronomen dieser Zeit, bereiteten mit ihren wertvollsten Beobachtungen den Boden für neue Entdeckungen.

Doch erst der große Isaac Newton konnte die erste Theorie der Schwerkraft aufstellen und mathematisch ausdrücken. Dies war das erste Gesetz der Schwerkraft, dessen mathematische Darstellung oben dargestellt ist.

Schlussfolgerungen von Newton und einigen seiner Vorgänger

Im Gegensatz zu anderen physikalischen Phänomenen, die in der Welt um uns herum existieren, manifestiert sich die Schwerkraft immer und überall. Sie müssen verstehen, dass der in pseudowissenschaftlichen Kreisen häufig vorkommende Begriff „Schwerelosigkeit“ äußerst falsch ist: Selbst Schwerelosigkeit im Weltraum bedeutet nicht, dass eine Person oder ein Raumschiff nicht von der Schwerkraft eines massiven Objekts beeinflusst wird.

Darüber hinaus haben alle materiellen Körper eine bestimmte Masse, ausgedrückt in Form der auf sie ausgeübten Kraft und der durch diesen Einfluss erzielten Beschleunigung.

Somit sind die Gravitationskräfte proportional zur Masse von Objekten. Sie können numerisch ausgedrückt werden, indem man das Produkt der Massen beider betrachteter Körper erhält. Diese Kraft folgt strikt dem umgekehrten Verhältnis zum Quadrat des Abstands zwischen Objekten. Alle anderen Wechselwirkungen hängen ganz anders von den Abständen zwischen zwei Körpern ab.

Masse als Grundstein der Theorie

Die Masse der Objekte ist zu einem besonderen Streitpunkt geworden, um den sich Einsteins gesamte moderne Theorie der Schwerkraft und Relativitätstheorie dreht. Wenn Sie sich an die Zweite erinnern, wissen Sie wahrscheinlich, dass Masse ein zwingendes Merkmal jedes physischen materiellen Körpers ist. Es zeigt, wie sich ein Objekt verhält, wenn auf es Kraft ausgeübt wird, unabhängig von seinem Ursprung.

Da alle Körper (nach Newton) beschleunigen, wenn sie einer äußeren Kraft ausgesetzt werden, ist es die Masse, die bestimmt, wie groß diese Beschleunigung sein wird. Schauen wir uns ein verständlicheres Beispiel an. Stellen Sie sich einen Roller und einen Bus vor: Wenn Sie genau die gleiche Kraft auf sie ausüben, erreichen sie zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Geschwindigkeiten. Die Theorie der Schwerkraft erklärt dies alles.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Masse und Schwerkraft?

Wenn wir über die Schwerkraft sprechen, dann spielt die Masse bei diesem Phänomen eine völlig entgegengesetzte Rolle zu der, die sie in Bezug auf die Kraft und Beschleunigung eines Objekts spielt. Sie ist die Hauptquelle der Anziehungskraft. Wenn Sie zwei Körper nehmen und die Kraft betrachten, mit der sie ein drittes Objekt anziehen, das sich in gleichem Abstand von den ersten beiden befindet, dann ist das Verhältnis aller Kräfte gleich dem Verhältnis der Massen der ersten beiden Objekte. Somit ist die Schwerkraft direkt proportional zur Masse des Körpers.

Wenn wir Newtons drittes Gesetz betrachten, können wir sehen, dass es genau dasselbe sagt. Die Schwerkraft, die auf zwei Körper wirkt, die sich in gleichem Abstand von der Anziehungsquelle befinden, hängt direkt von der Masse dieser Objekte ab. Im Alltag spricht man von der Kraft, mit der ein Körper von der Erdoberfläche angezogen wird, als seinem Gewicht.

Fassen wir einige Ergebnisse zusammen. Die Masse hängt also eng mit der Beschleunigung zusammen. Gleichzeitig bestimmt sie die Kraft, mit der die Schwerkraft auf den Körper einwirkt.

Merkmale der Beschleunigung von Körpern im Gravitationsfeld

Diese erstaunliche Dualität ist der Grund dafür, dass im selben Gravitationsfeld die Beschleunigung völlig unterschiedlicher Objekte gleich ist. Nehmen wir an, wir hätten zwei Körper. Weisen wir einem von ihnen die Masse z und dem anderen die Masse Z zu. Beide Objekte werden auf den Boden fallen gelassen, wo sie frei fallen.

Wie wird das Verhältnis der Anziehungskräfte bestimmt? Dies wird durch die einfachste mathematische Formel – z/Z – dargestellt. Aber die Beschleunigung, die sie aufgrund der Schwerkraft erhalten, wird absolut gleich sein. Vereinfacht gesagt hängt die Beschleunigung, die ein Körper im Gravitationsfeld hat, in keiner Weise von seinen Eigenschaften ab.

Wovon hängt die Beschleunigung im beschriebenen Fall ab?

Es hängt nur (!) von der Masse der Objekte ab, die dieses Feld erzeugen, sowie von ihrer räumlichen Position. Die Doppelrolle von Masse und gleicher Beschleunigung verschiedener Körper in einem Gravitationsfeld ist schon seit relativ langer Zeit bekannt. Diese Phänomene erhielten den folgenden Namen: „Das Prinzip der Äquivalenz“. Dieser Begriff unterstreicht noch einmal, dass Beschleunigung und Trägheit oft (natürlich bis zu einem gewissen Grad) gleichwertig sind.

Über die Bedeutung des G-Wertes

Aus dem Physikkurs in der Schule erinnern wir uns, dass die Erdbeschleunigung auf der Oberfläche unseres Planeten 10 m/s² beträgt (natürlich 9,8, aber dieser Wert wird zur Vereinfachung der Berechnungen verwendet). Wenn Sie also den Luftwiderstand nicht berücksichtigen (in großer Höhe mit kurzer Fallstrecke), erhalten Sie den Effekt, wenn der Körper einen Beschleunigungszuwachs von 10 m/s erreicht. jede Sekunde. Ein Buch, das aus dem zweiten Stock eines Hauses gefallen ist, bewegt sich am Ende seines Fluges mit einer Geschwindigkeit von 30–40 m/Sek. Vereinfacht ausgedrückt ist 10 m/s die „Geschwindigkeit“ der Schwerkraft innerhalb der Erde.

Die Erdbeschleunigung wird in der physikalischen Literatur mit dem Buchstaben „g“ bezeichnet. Da die Form der Erde gewissermaßen eher an eine Mandarine als an eine Kugel erinnert, ist der Wert dieser Größe nicht in allen ihren Regionen gleich. So ist die Beschleunigung an den Polen höher und auf den Gipfeln hoher Berge geringer.

Auch im Bergbau spielt die Schwerkraft eine wichtige Rolle. Die Physik dieses Phänomens kann manchmal viel Zeit sparen. Daher sind Geologen besonders an der absolut genauen Bestimmung von g interessiert, da sie dadurch Mineralvorkommen mit außergewöhnlicher Genauigkeit erkunden und lokalisieren können. Wie sieht übrigens die Gravitationsformel aus, bei der die von uns betrachtete Größe eine wichtige Rolle spielt? Da ist sie:

Beachten Sie! In diesem Fall bedeutet die Gravitationsformel mit G die „Gravitationskonstante“, deren Bedeutung wir oben bereits angegeben haben.

Newton formulierte einst die oben genannten Prinzipien. Er verstand sowohl die Einheit als auch die Universalität vollkommen, konnte jedoch nicht alle Aspekte dieses Phänomens beschreiben. Diese Ehre gebührte Albert Einstein, der auch das Äquivalenzprinzip erklären konnte. Ihm verdankt die Menschheit das moderne Verständnis der Natur des Raum-Zeit-Kontinuums.

Relativitätstheorie, Werke von Albert Einstein

Zur Zeit von Isaac Newton glaubte man, dass Referenzpunkte in Form einer Art starrer „Stäbe“ dargestellt werden können, mit deren Hilfe die Position eines Körpers in einem räumlichen Koordinatensystem ermittelt wird. Gleichzeitig wurde davon ausgegangen, dass sich alle Beobachter, die diese Koordinaten markieren, im selben Zeitraum befinden. Damals galt diese Bestimmung als so offensichtlich, dass keine Versuche unternommen wurden, sie anzufechten oder zu ergänzen. Und das ist verständlich, denn innerhalb der Grenzen unseres Planeten gibt es keine Abweichungen von dieser Regel.

Einstein bewies, dass die Genauigkeit der Messung wirklich wichtig wäre, wenn sich eine hypothetische Uhr deutlich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würde. Einfach ausgedrückt: Wenn ein Beobachter, der sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt, zwei Ereignisse verfolgt, werden sie für ihn gleichzeitig eintreten. Dementsprechend für den zweiten Beobachter? Deren Geschwindigkeit gleich oder größer ist, können Ereignisse zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftreten.

Aber wie verhält sich die Schwerkraft zur Relativitätstheorie? Schauen wir uns diese Frage im Detail an.

Der Zusammenhang zwischen Relativitätstheorie und Gravitationskräften

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Entdeckungen auf dem Gebiet der subatomaren Teilchen gemacht. Die Überzeugung wird immer stärker, dass wir dabei sind, das letzte Teilchen zu finden, jenseits dessen unsere Welt nicht mehr zerfallen kann. Umso dringender wird das Bedürfnis, genau herauszufinden, wie die kleinsten „Bausteine“ unseres Universums von jenen fundamentalen Kräften beeinflusst werden, die im letzten Jahrhundert oder sogar noch früher entdeckt wurden. Besonders enttäuschend ist, dass die eigentliche Natur der Schwerkraft noch nicht erklärt wurde.

Aus diesem Grund konzentrierten sich die Forscher nach Einstein, der die „Inkompetenz“ von Newtons klassischer Mechanik in dem betrachteten Bereich feststellte, auf ein völliges Umdenken der zuvor gewonnenen Daten. Die Schwerkraft selbst wurde einer umfassenden Überarbeitung unterzogen. Was ist es auf der subatomaren Teilchenebene? Hat es irgendeine Bedeutung in dieser erstaunlichen mehrdimensionalen Welt?

Eine einfache Lösung?

Zunächst gingen viele davon aus, dass die Diskrepanz zwischen Newtons Gravitation und der Relativitätstheorie ganz einfach durch Analogien aus der Elektrodynamik erklärt werden könne. Man könnte annehmen, dass sich das Gravitationsfeld wie ein Magnetfeld ausbreitet, woraufhin es als „Mittler“ bei der Wechselwirkung von Himmelskörpern bezeichnet werden kann, was viele der Inkonsistenzen zwischen der alten und der neuen Theorie erklärt. Tatsache ist, dass dann die relativen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der betreffenden Kräfte deutlich geringer wären als die Lichtgeschwindigkeit. Wie hängen also Schwerkraft und Zeit zusammen?

Im Prinzip wäre es Einstein selbst beinahe gelungen, eine relativistische Theorie auf der Grundlage genau solcher Ansichten zu konstruieren, doch nur ein Umstand verhinderte seine Absicht. Keiner der damaligen Wissenschaftler verfügte über Informationen, die helfen könnten, die „Geschwindigkeit“ der Schwerkraft zu bestimmen. Aber es gab viele Informationen über die Bewegungen großer Massen. Bekanntlich waren genau sie die allgemein anerkannte Quelle für die Entstehung starker Gravitationsfelder.

Hohe Geschwindigkeiten wirken sich stark auf die Masse von Körpern aus, und dies ist in keiner Weise mit der Wechselwirkung von Geschwindigkeit und Ladung vergleichbar. Je höher die Geschwindigkeit, desto größer die Körpermasse. Das Problem besteht darin, dass der letztere Wert automatisch unendlich werden würde, wenn man sich mit Lichtgeschwindigkeit oder schneller bewegt. Daher kam Einstein zu dem Schluss, dass es kein Gravitationsfeld, sondern ein Tensorfeld gibt, zu dessen Beschreibung noch viele weitere Variablen verwendet werden sollten.

Seine Anhänger kamen zu dem Schluss, dass Schwerkraft und Zeit praktisch keinen Zusammenhang haben. Tatsache ist, dass dieses Tensorfeld selbst auf den Raum einwirken kann, die Zeit jedoch nicht beeinflussen kann. Der brillante moderne Physiker Stephen Hawking vertritt jedoch einen anderen Standpunkt. Aber das ist eine ganz andere Geschichte...

Newton, der angibt, dass die Anziehungskraft der Schwerkraft zwischen zwei materiellen Massenpunkten, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind, proportional zu beiden Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist – das heißt:

Hier ist die Gravitationskonstante, die ungefähr 6,6725 × 10 −11 m³/(kg s²) beträgt.

Das Gesetz der universellen Gravitation ist eine der Anwendungen des inversen Quadratgesetzes, das auch in der Strahlungsforschung zu finden ist (siehe zum Beispiel Lichtdruck) und eine direkte Folge der quadratischen Vergrößerung der Fläche ist die Kugel mit zunehmendem Radius, was zu einer quadratischen Abnahme des Beitrags jeder Flächeneinheit zur Fläche der gesamten Kugel führt.

Das Gravitationsfeld ist wie das Schwerefeld potentiell. Das bedeutet, dass man die potentielle Energie der Gravitationsanziehung eines Körperpaares einbringen kann und diese Energie sich nicht ändert, nachdem man die Körper entlang einer geschlossenen Schleife bewegt. Die Potentialität des Gravitationsfeldes beinhaltet den Erhaltungssatz der Summe aus kinetischer und potentieller Energie und vereinfacht die Lösung bei der Untersuchung der Bewegung von Körpern in einem Gravitationsfeld oft erheblich. Im Rahmen der Newtonschen Mechanik ist die Gravitationswechselwirkung weitreichend. Das bedeutet, dass unabhängig davon, wie sich ein massiver Körper bewegt, das Gravitationspotential an jedem Punkt im Raum nur von der Position des Körpers zu einem bestimmten Zeitpunkt abhängt.

Große Weltraumobjekte – Planeten, Sterne und Galaxien – haben eine enorme Masse und erzeugen daher erhebliche Gravitationsfelder.

Die Schwerkraft ist die schwächste Wechselwirkung. Da sie jedoch in allen Entfernungen wirkt und alle Massen positiv sind, ist sie dennoch eine sehr wichtige Kraft im Universum. Insbesondere die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Körpern im kosmischen Maßstab ist gering, da die gesamte elektrische Ladung dieser Körper Null ist (Materie als Ganzes ist elektrisch neutral).

Außerdem ist die Wirkung der Schwerkraft im Gegensatz zu anderen Wechselwirkungen universell auf alle Materie und Energie. Es wurden keine Objekte entdeckt, die überhaupt keine Gravitationswechselwirkung haben.

Aufgrund ihrer globalen Natur ist die Schwerkraft für so großräumige Effekte wie die Struktur von Galaxien, Schwarzen Löchern und die Ausdehnung des Universums sowie für elementare astronomische Phänomene – die Umlaufbahnen von Planeten – und für die einfache Anziehungskraft auf die Oberfläche des Universums verantwortlich Die Erde und der Fall der Körper.

Die Schwerkraft war die erste Wechselwirkung, die von der mathematischen Theorie beschrieben wurde. Aristoteles glaubte, dass Objekte mit unterschiedlicher Masse mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fallen. Erst viel später stellte Galileo Galilei experimentell fest, dass dies nicht der Fall ist – wenn der Luftwiderstand eliminiert wird, beschleunigen alle Körper gleich. Isaac Newtons Gesetz der universellen Gravitation (1687) beschrieb das allgemeine Verhalten der Schwerkraft gut. Im Jahr 1915 entwickelte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft anhand der Geometrie der Raumzeit genauer beschreibt.

Himmelsmechanik und einige ihrer Aufgaben

Das einfachste Problem der Himmelsmechanik ist die gravitative Wechselwirkung zweier Punkt- oder Kugelkörper im leeren Raum. Dieses Problem im Rahmen der klassischen Mechanik wird analytisch in geschlossener Form gelöst; Das Ergebnis seiner Lösung wird oft in Form der drei Keplerschen Gesetze formuliert.

Mit zunehmender Anzahl interagierender Körper wird die Aufgabe erheblich komplizierter. Somit kann das bereits bekannte Dreikörperproblem (also die Bewegung dreier Körper mit Massen ungleich Null) nicht in allgemeiner Form analytisch gelöst werden. Bei einer numerischen Lösung kommt es recht schnell zu einer Instabilität der Lösungen relativ zu den Anfangsbedingungen. Auf das Sonnensystem übertragen erlaubt uns diese Instabilität nicht, die Bewegung von Planeten auf Skalen von mehr als hundert Millionen Jahren genau vorherzusagen.

In einigen Sonderfällen ist es möglich, eine Näherungslösung zu finden. Am wichtigsten ist der Fall, wenn die Masse eines Körpers deutlich größer ist als die Masse anderer Körper (Beispiele: das Sonnensystem und die Dynamik der Saturnringe). In diesem Fall können wir in erster Näherung davon ausgehen, dass Lichtkörper nicht miteinander interagieren und sich entlang der Kepler-Trajektorien um den massiven Körper bewegen. Die Wechselwirkungen zwischen ihnen können im Rahmen der Störungstheorie berücksichtigt und über die Zeit gemittelt werden. In diesem Fall können nicht triviale Phänomene wie Resonanzen, Attraktoren, Chaos usw. auftreten. Ein klares Beispiel für solche Phänomene ist die komplexe Struktur der Saturnringe.

Trotz Versuchen, das Verhalten eines Systems aus einer großen Anzahl anziehender Körper ungefähr gleicher Masse genau zu beschreiben, gelingt dies aufgrund des Phänomens des dynamischen Chaos nicht.

Starke Gravitationsfelder

In starken Gravitationsfeldern sowie bei der Bewegung in einem Gravitationsfeld mit relativistischen Geschwindigkeiten beginnen sich die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GTR) zu zeigen:

Veränderung der Geometrie der Raumzeit;
- als Folge davon die Abweichung des Gravitationsgesetzes vom Newtonschen Gesetz;
- und in extremen Fällen – die Entstehung von Schwarzen Löchern;
Verzögerung von Potentialen, die mit der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationsstörungen verbunden sind;
- als Folge das Auftreten von Gravitationswellen;
Nichtlinearitätseffekte: Die Schwerkraft neigt dazu, mit sich selbst zu interagieren, sodass das Prinzip der Überlagerung in starken Feldern nicht mehr gilt.

Gravitationsstrahlung

Eine der wichtigsten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Gravitationsstrahlung, deren Vorhandensein noch nicht durch direkte Beobachtungen bestätigt wurde. Es gibt jedoch bedeutende indirekte Beweise für seine Existenz, nämlich Energieverluste in engen Doppelsternsystemen, die kompakte gravitierende Objekte (wie Neutronensterne oder Schwarze Löcher) enthalten, insbesondere im berühmten System PSR B1913+16 (Hulse-Taylor). Pulsar) - stimmen gut mit dem Allgemeinen Relativitätsmodell überein, in dem diese Energie genau durch Gravitationsstrahlung abtransportiert wird.

Gravitationsstrahlung kann nur von Systemen mit variablen Quadrupol- oder höheren Multipolmomenten erzeugt werden. Diese Tatsache legt nahe, dass die Gravitationsstrahlung der meisten natürlichen Quellen gerichtet ist, was ihre Erkennung erheblich erschwert. Schwerkraftkraft N-Feldquelle ist proportional, wenn der Multipol vom elektrischen Typ ist, und - wenn der Multipol vom magnetischen Typ ist, wobei v ist die charakteristische Bewegungsgeschwindigkeit von Quellen im Strahlungssystem und C- Lichtgeschwindigkeit. Somit ist das dominierende Moment das Quadrupolmoment vom elektrischen Typ, und die Leistung der entsprechenden Strahlung ist gleich:

Wo ist der Quadrupolmomenttensor der Massenverteilung des strahlenden Systems? Die Konstante (1/W) ermöglicht es uns, die Größenordnung der Strahlungsleistung abzuschätzen.

Seit 1969 (Webers Experimente ( Englisch)) wird versucht, Gravitationsstrahlung direkt nachzuweisen. In den USA, Europa und Japan gibt es derzeit mehrere bodengestützte Detektoren (LIGO, VIRGO, TAMA ( Englisch), GEO 600) sowie das WelLISA (Laser Interferometer Space Antenna). Ein bodengestützter Detektor in Russland wird am Dulkyn Scientific Center for Gravitational Wave Research in der Republik Tatarstan entwickelt.

Subtile Auswirkungen der Schwerkraft

Messung der Raumkrümmung in der Erdumlaufbahn (Künstlerzeichnung)

Zusätzlich zu den klassischen Effekten der Gravitationsanziehung und der Zeitdilatation sagt die Allgemeine Relativitätstheorie die Existenz anderer Erscheinungsformen der Schwerkraft voraus, die unter terrestrischen Bedingungen sehr schwach sind und deren Entdeckung und experimentelle Überprüfung daher sehr schwierig sind. Bis vor Kurzem schien die Überwindung dieser Schwierigkeiten über die Fähigkeiten von Experimentatoren hinauszugehen.

Darunter sind insbesondere die Mitnahme von Trägheitsbezugssystemen (oder der Lense-Thirring-Effekt) und das gravitomagnetische Feld zu nennen. Im Jahr 2005 führte die robotische Gravity Probe B der NASA ein beispielloses Präzisionsexperiment durch, um diese Effekte in der Nähe der Erde zu messen. Die Verarbeitung der erhaltenen Daten wurde bis Mai 2011 durchgeführt und bestätigte die Existenz und das Ausmaß der Auswirkungen der geodätischen Präzession und des Widerstands von Trägheitsreferenzsystemen, allerdings mit einer etwas geringeren Genauigkeit als ursprünglich angenommen.

Nach intensiver Arbeit zur Analyse und Extraktion des Messrauschens wurden die endgültigen Ergebnisse der Mission am 4. Mai 2011 auf einer Pressekonferenz im NASA-TV bekannt gegeben und in Physical Review Letters veröffentlicht. Der gemessene Wert der geodätischen Präzession betrug −6601,8 ± 18,3 Millisekunden Bögen pro Jahr und der Mitnahmeeffekt - −37,2 ± 7,2 Millisekunden Bögen pro Jahr (vergleiche mit theoretischen Werten von −6606,1 mas/Jahr und −39,2 mas/Jahr).

Klassische Theorien der Schwerkraft

Siehe auch: Theorien der Schwerkraft

Aufgrund der Tatsache, dass Quanteneffekte der Schwerkraft selbst unter extremsten experimentellen und beobachtenden Bedingungen äußerst gering sind, gibt es noch keine verlässlichen Beobachtungen darüber. Theoretische Schätzungen zeigen, dass man sich in den allermeisten Fällen auf die klassische Beschreibung der Gravitationswechselwirkung beschränken kann.

Es gibt eine moderne kanonische klassische Theorie der Schwerkraft – die allgemeine Relativitätstheorie – und viele klärende Hypothesen und Theorien unterschiedlichen Entwicklungsgrades, die miteinander konkurrieren. Alle diese Theorien treffen innerhalb der Näherung, mit der derzeit experimentelle Tests durchgeführt werden, sehr ähnliche Vorhersagen. Im Folgenden sind einige grundlegende, am weitesten entwickelte oder bekannteste Theorien der Schwerkraft aufgeführt.

Allgemeine Relativitätstheorie

Im Standardansatz der Allgemeinen Relativitätstheorie (GTR) wird die Schwerkraft zunächst nicht als Kraftwechselwirkung betrachtet, sondern als Manifestation der Krümmung der Raumzeit. So wird in der Allgemeinen Relativitätstheorie die Schwerkraft als geometrischer Effekt interpretiert und die Raumzeit im Rahmen der nichteuklidischen Riemannschen (genauer gesagt pseudo-Riemannschen) Geometrie betrachtet. Das Gravitationsfeld (eine Verallgemeinerung des Newtonschen Gravitationspotentials), manchmal auch Gravitationsfeld genannt, wird in der Allgemeinen Relativitätstheorie mit dem metrischen Tensorfeld – der Metrik der vierdimensionalen Raumzeit, und der Stärke des Gravitationsfeldes – identifiziert die durch die Metrik bestimmte affine Konnektivität der Raumzeit.

Die Standardaufgabe der Allgemeinen Relativitätstheorie besteht darin, aus der bekannten Verteilung der Energie-Impuls-Quellen im betrachteten vierdimensionalen Koordinatensystem die Komponenten des metrischen Tensors zu bestimmen, die zusammen die geometrischen Eigenschaften der Raumzeit definieren. Die Kenntnis der Metrik ermöglicht wiederum die Berechnung der Bewegung von Testteilchen, was der Kenntnis der Eigenschaften des Gravitationsfelds in einem bestimmten System entspricht. Aufgrund der Tensornatur der allgemeinen Relativitätsgleichungen sowie der standardmäßigen fundamentalen Begründung für ihre Formulierung wird angenommen, dass die Schwerkraft ebenfalls Tensornatur ist. Eine Konsequenz daraus ist, dass die Gravitationsstrahlung mindestens der Quadrupolordnung angehören muss.

Es ist bekannt, dass es in der Allgemeinen Relativitätstheorie aufgrund der Nichtinvarianz der Energie des Gravitationsfeldes Schwierigkeiten gibt, da diese Energie nicht durch einen Tensor beschrieben wird und theoretisch auf unterschiedliche Weise bestimmt werden kann. Auch in der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie stellt sich das Problem der Beschreibung der Spin-Bahn-Wechselwirkung (da auch der Spin eines ausgedehnten Objekts keine eindeutige Definition hat). Es wird angenommen, dass es gewisse Probleme mit der Eindeutigkeit der Ergebnisse und der Begründung der Konsistenz gibt (das Problem der Gravitationssingularitäten).

Die allgemeine Relativitätstheorie wurde jedoch erst vor kurzem (2012) experimentell bestätigt. Darüber hinaus führen viele alternative Ansätze zu Einsteins, aber Standardansätzen für die moderne Physik, zur Formulierung der Gravitationstheorie zu einem Ergebnis, das mit der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Niedrigenergienäherung übereinstimmt, die als einzige derzeit einer experimentellen Überprüfung zugänglich ist.

Einstein-Cartan-Theorie

Eine ähnliche Aufteilung der Gleichungen in zwei Klassen findet auch im RTG statt, wo die zweite Tensorgleichung eingeführt wird, um den Zusammenhang zwischen nichteuklidischem Raum und Minkowski-Raum zu berücksichtigen. Dank des Vorhandenseins eines dimensionslosen Parameters in der Jordan-Brans-Dicke-Theorie wird es möglich, ihn so zu wählen, dass die Ergebnisse der Theorie mit den Ergebnissen von Gravitationsexperimenten übereinstimmen. Da der Parameter gegen Unendlich tendiert, nähern sich die Vorhersagen der Theorie außerdem immer mehr der allgemeinen Relativitätstheorie an, so dass es unmöglich ist, die Jordan-Brans-Dicke-Theorie durch ein Experiment zu widerlegen, das die allgemeine Relativitätstheorie bestätigt.

Quantentheorie der Schwerkraft

Trotz mehr als einem halben Jahrhundert an Versuchen ist die Schwerkraft die einzige fundamentale Wechselwirkung, für die noch keine allgemein anerkannte konsistente Quantentheorie aufgestellt wurde. Bei niedrigen Energien kann man sich die Gravitationswechselwirkung im Sinne der Quantenfeldtheorie als Austausch von Gravitonen vorstellen – Spin-2-Eichbosonen. Die resultierende Theorie ist jedoch nicht renormierbar und wird daher als unbefriedigend angesehen.

In den letzten Jahrzehnten wurden drei vielversprechende Ansätze zur Lösung des Problems der Quantisierung der Schwerkraft entwickelt: Stringtheorie, Schleifenquantengravitation und kausale dynamische Triangulation.

Stringtheorie

Darin erscheinen anstelle von Teilchen und Hintergrundraumzeit Strings und ihre mehrdimensionalen Analoga – Branes. Bei hochdimensionalen Problemen handelt es sich bei Branes um hochdimensionale Teilchen, allerdings aus der Sicht bewegter Teilchen innen Diese Branen sind Raum-Zeit-Strukturen. Eine Variante der Stringtheorie ist die M-Theorie.

Schleifenquantengravitation

Es wird versucht, eine Quantenfeldtheorie ohne Bezug auf den Raum-Zeit-Hintergrund zu formulieren. Nach dieser Theorie bestehen Raum und Zeit aus diskreten Teilen. Diese kleinen Quantenzellen des Raumes sind auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden, so dass sie auf kleinen Zeit- und Längenskalen eine bunte, diskrete Struktur des Raumes bilden und sich auf großen Skalen sanft in eine kontinuierliche, glatte Raumzeit verwandeln. Während viele kosmologische Modelle das Verhalten des Universums erst ab der Planck-Zeit nach dem Urknall beschreiben können, kann die Schleifenquantengravitation den Explosionsprozess selbst beschreiben und sogar noch weiter zurückblicken. Die Schleifenquantengravitation ermöglicht es uns, alle Teilchen des Standardmodells zu beschreiben, ohne dass zur Erklärung ihrer Massen das Higgs-Boson eingeführt werden muss.

Hauptartikel: Kausale dynamische Triangulation

Darin wird die Raum-Zeit-Mannigfaltigkeit aus elementaren euklidischen Simplexen (Dreieck, Tetraeder, Pentachore) mit Dimensionen in der Größenordnung der Planckschen Dimensionen unter Berücksichtigung des Kausalitätsprinzips konstruiert. Die Vierdimensionalität und die pseudoeuklidische Natur der Raumzeit auf makroskopischen Skalen werden darin nicht postuliert, sondern sind eine Konsequenz der Theorie.

siehe auch

Anmerkungen

Literatur

Vizgin V. P. Relativistische Theorie der Schwerkraft (Ursprung und Entstehung, 1900-1915). - M.: Nauka, 1981. - 352c.
Vizgin V. P. Einheitliche Theorien im 1. Drittel des 20. Jahrhunderts. - M.: Nauka, 1985. - 304c.
Ivanenko D. D., Sardanashvili G. A. Schwere. 3. Aufl. - M.: URSS, 2008. - 200 S.
Misner C., Thorne K., Wheeler J. Schwere. - M.: Mir, 1977.
Thorne K. Schwarze Löcher und Zeitfalten. Einsteins kühnes Erbe. - M.: Staatlicher Verlag für physikalische und mathematische Literatur, 2009.

Links

Das Gesetz der universellen Gravitation oder „Warum fällt der Mond nicht auf die Erde?“ - Nur über den Komplex
Probleme mit der Schwerkraft (BBC-Dokumentation, Video)
Erde und Schwerkraft; Relativistische Theorie der Schwerkraft (Fernsehsendung Gordon „Dialogues“, Video)

Theorien der Schwerkraft

Standardtheorien der Schwerkraft

Alternative Theorien der Schwerkraft

Quantentheorien der Schwerkraft

Einheitliche Feldtheorien

Klassische Physik

Allgemeine Relativitätstheorie
Mathematische Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie
Hamiltons Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie

Prinzipien

Geometrodynamik ( Englisch)

Klassisch

Relativistisch

1. Obi-Wan Kenobi aus Star Wars sagte, dass die Macht „um uns herum ist und uns durchdringt; sie hält die Galaxis zusammen.“ Er könnte das sehr gut über die Schwerkraft sagen. Seine attraktiven Eigenschaften halten die Galaxie buchstäblich zusammen, und es „durchdringt“ uns und zieht uns physisch zur Erde.

2. Anders als die Kraft mit ihren dunklen und hellen Seiten ist die Schwerkraft jedoch nicht dual; es zieht nur an und stößt niemals ab.
Vollständig anzeigen.

3. Die NASA versucht, einen Traktorstrahl zu entwickeln, der physische Objekte bewegen kann und dabei eine Zugkraft erzeugt, die die Schwerkraft übersteigt.

4. Achterbahnpassagiere und Astronauten auf der Raumstation erleben Mikrogravitation (fälschlicherweise Schwerelosigkeit genannt), da sie mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Schiff, auf dem sie sich befinden, fallen.

5. Jemand, der auf der Erde 60 kg wiegt, würde auf dem Jupiter 142 Kilogramm wiegen (wenn es möglich wäre, auf dem Gasriesen zu stehen). Die größere Masse des Planeten bedeutet eine größere Gravitationskraft

Was ist Schwerkraft in einfachen Worten | Allgemeines Konzept der Schwerkraft Die Schwerkraft ist ein scheinbar einfaches Konzept, das jeder seit der Schule kennt. Wir alle erinnern uns an die Geschichte, wie Newton ein Apfel auf den Kopf fiel und er das Gesetz der universellen Gravitation entdeckte. Allerdings ist nicht alles so einfach...

6. Um den Gravitationsbrunnen der Erde zu verlassen, muss ein Objekt eine Geschwindigkeit von 11,2 Kilometern pro Sekunde erreichen – das ist die Fluchtgeschwindigkeit unseres Planeten.

7. Seltsamerweise ist die Schwerkraft die schwächste der vier Grundkräfte des Universums. Die anderen drei sind Elektromagnetismus, die schwache Kernkraft, die den Zerfall von Atomen steuert; und die starke Kernkraft, die die Atomkerne zusammenhält.

8. Ein münzgroßer Magnet hat genug elektromagnetische Kraft, um die gesamte Schwerkraft der Erde zu überwinden und am Kühlschrank zu haften.

9. Der Apfel fiel nicht auf Isaac Newtons Kopf, aber er fragte sich, ob die Kraft, die den Apfel fallen lässt, die Bewegung des Mondes um die Erde beeinflusst.

10. Genau dieser Apfel führte zur Entstehung des ersten Gesetzes der umgekehrten quadratischen Proportionalität in der Wissenschaft, F = G * (mM) / r2. Das bedeutet, dass ein doppelt so weit entferntes Objekt nur noch ein Viertel der vorherigen Anziehungskraft ausübt.

11. Das Gesetz der umgekehrten quadratischen Proportionalität bedeutet auch, dass die Gravitationsanziehung technisch gesehen einen unbegrenzten Wirkungsbereich hat. 12. Eine andere Bedeutung des Wortes „Gravity“ – was „etwas Schweres oder Ernsthaftes“ bedeutet – tauchte schon früher auf und kommt vom lateinischen „Gravis“, was „schwer“ bedeutet.

13. Die Schwerkraft beschleunigt alle Gegenstände gleichermaßen, unabhängig vom Gewicht. Wenn Sie zwei gleich große, aber unterschiedlich schwere Bälle vom Dach fallen lassen, landen sie gleichzeitig auf dem Boden. Die größere Trägheit eines schwereren Objekts macht die zusätzliche Geschwindigkeit, die es möglicherweise gegenüber einem leichteren Objekt hat, zunichte.

14. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie war die erste Theorie, die die Schwerkraft als die Krümmung der Raumzeit betrachtete – das „Gewebe“, aus dem das physikalische Universum besteht.

15. Jedes Objekt mit Masse krümmt die Raumzeit um sich selbst. Im Jahr 2011 zeigte das Gravity Probe B-Experiment der NASA, dass die Erde das Universum wie eine Holzkugel in einem Bach um sich selbst dreht – genau wie Einstein vorhergesagt hatte.

16. Durch die Krümmung der Raumzeit um sich selbst lenkt ein massives Objekt manchmal die Lichtstrahlen, die es passieren, um, genau wie eine Glaslinse. Gravitationslinsen können leicht die scheinbare Größe entfernter Galaxien vergrößern oder ihr Licht in seltsame Formen verzerren. 17. Das „Drei-Körper-Problem“, das alle möglichen Muster beschreibt, in denen sich drei Objekte nur unter dem Einfluss der Schwerkraft umeinander drehen können, beschäftigt Wissenschaftler seit dreihundert Jahren. Bisher wurden nur 16 Lösungen gefunden. 18. Obwohl die anderen drei Grundkräfte mit der Quantenmechanik – der Wissenschaft vom Ultrakleinen – gut zurechtkommen, weigert sich die Schwerkraft, mit ihr zusammenzuarbeiten; Quantengleichungen scheitern immer dann, wenn man versucht, die Schwerkraft in sie einzubeziehen. Wie man diese beiden absolut genauen und völlig gegensätzlichen Beschreibungen des Universums in Einklang bringen kann, ist eines der größten Probleme der modernen Physik. 19. Um die Schwerkraft besser zu verstehen, suchen Wissenschaftler nach Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit, die durch Ereignisse wie Kollisionen von Schwarzen Löchern und Sternexplosionen entstehen.

20. Sobald es ihnen gelingt, Gravitationswellen zu entdecken, werden Wissenschaftler in der Lage sein, den Kosmos auf eine noch nie dagewesene Weise zu betrachten. „Jedes Mal, wenn wir das Universum aus einer neuen Perspektive betrachten“, sagt Amber Stuever, Physikerin am Louisiana Gravitational Wave Observatory, „revolutioniert es unser Verständnis davon.“

Ursachen der Schwerkraft. Es gibt Lücken in der Theorie der Schwerkraft – und das ist eine Tatsache!

Jede Theorie ist unvollkommen, die Theorie der Schwerkraft ist keine Ausnahme

Die Theorie der Schwerkraft ist unvollkommen, aber einige ihrer Lücken sind von der Erde aus nicht erkennbar. Der Theorie zufolge müsste beispielsweise die Anziehungskraft der Sonne auf dem Mond stärker sein als auf der Erde, aber dann würde sich der Mond um die Sonne und nicht um die Erde drehen. Indem wir die Bewegung des Mondes am Nachthimmel beobachten, können wir absolut feststellen, dass er sich um die Erde dreht. In der Schule wurde uns auch von Isaac Newton erzählt, der Lücken in der Schwerkrafttheorie entdeckte. Er führte auch einen neuen mathematischen Begriff ein, Fluxion, aus dem er später die Theorie der Schwerkraft entwickelte. Der Begriff „Fluxion“ mag ungewohnt erscheinen; heute wird er „Funktion“ genannt. Auf die eine oder andere Weise lernen wir alle Funktionen in der Schule, aber sie sind nicht ohne Mängel. Daher ist es wahrscheinlich, dass auch Newtons „Beweise“ der Gravitationstheorie nicht so reibungslos verlaufen.

Das Körpergewicht kann sich im Gegensatz zur Masse unter dem Einfluss der Beschleunigung verändern. Kleine Gewichtsveränderungen sind beispielsweise spürbar, wenn sich der Aufzug in Bewegung setzt oder stoppt. Den Zustand völliger Gewichtslosigkeit nennt man Schwerelosigkeit.

Das Phänomen der Schwerelosigkeit

Die Physik definiert Gewicht als die Kraft, mit der ein Körper auf eine Oberfläche, einen Träger oder eine Aufhängung einwirkt. Gewicht entsteht durch die Anziehungskraft der Erde. Numerisch gesehen ist das Gewicht gleich der Schwerkraft, diese wirkt jedoch auf den Schwerpunkt des Körpers, während das Gewicht auf die Unterlage wirkt. Schwerelosigkeit – Nullgewicht – kann auftreten, wenn keine Schwerkraft vorhanden ist , der Körper ist ausreichend weit von massiven Objekten entfernt, die ihn anziehen können.

Die Internationale Raumstation liegt 350 km von der Erde entfernt. In dieser Entfernung beträgt die Erdbeschleunigung (g) 8,8 m/s2, was nur 10 % weniger ist als auf der Planetenoberfläche.

In der Praxis sieht man es selten – der Einfluss der Schwerkraft ist immer vorhanden. Astronauten auf der ISS werden immer noch von der Erde beeinflusst, aber dort herrscht Schwerelosigkeit. Ein weiterer Fall von Schwerelosigkeit tritt auf, wenn die Schwerkraft durch andere Kräfte kompensiert wird. Beispielsweise unterliegt die ISS der Schwerkraft, die aufgrund der Entfernung leicht reduziert ist, aber auch die Station bewegt sich auf einer kreisförmigen Umlaufbahn mit Fluchtgeschwindigkeit und die Zentrifugalkraft gleicht die Schwerkraft aus.

Schwerelosigkeit auf der Erde

Auch auf der Erde ist das Phänomen der Schwerelosigkeit möglich. Unter dem Einfluss der Beschleunigung kann das Körpergewicht abnehmen und sogar negativ werden. Das klassische Beispiel der Physiker ist ein fallender Aufzug. Wenn sich der Aufzug mit Beschleunigung nach unten bewegt, nimmt der Druck auf den Boden des Aufzugs und damit das Gewicht ab. Wenn außerdem die Beschleunigung gleich der Erdbeschleunigung ist, das heißt, der Aufzug fällt, wird das Gewicht der Körper Null.

Ein negatives Gewicht wird beobachtet, wenn die Beschleunigung der Aufzugsbewegung die Beschleunigung des freien Falls übersteigt – die Körper im Inneren „kleben“ an der Decke der Kabine.

Dieser Effekt wird häufig zur Simulation der Schwerelosigkeit im Astronautentraining genutzt. Das mit einer Trainingskammer ausgestattete Flugzeug steigt auf eine beträchtliche Höhe. Danach taucht es entlang einer ballistischen Flugbahn ab, d. h. die Maschine landet auf der Erdoberfläche. Beim Tauchen aus 11.000 Metern Höhe kann man 40 Sekunden Schwerelosigkeit erreichen, die zum Training genutzt werden. Es besteht die falsche Vorstellung, dass solche Menschen komplexe Figuren wie die „Nesterov-Schleife“ ausführen, um Schwerelosigkeit zu erreichen. Tatsächlich werden für die Ausbildung modifizierte Serien-Passagierflugzeuge eingesetzt, die keine komplexen Manöver ausführen können.

Körperlicher Ausdruck

Das physische Gewicht (P) während der beschleunigten Bewegung des Trägers, sei es ein fallender oder ein tauchender Körper, hat die folgende Form: P = m (g-a), wobei m die Körpermasse und g die Beschleunigung des freien Falls ist , a ist die Beschleunigung des Trägers. Wenn g und a gleich sind, ist P=0, das heißt, Schwerelosigkeit wird erreicht.

Wer hat das Gesetz der universellen Gravitation entdeckt?

Es ist kein Geheimnis, dass das Gesetz der universellen Gravitation vom großen englischen Wissenschaftler Isaac Newton entdeckt wurde, der der Legende nach im Abendgarten spazieren ging und über die Probleme der Physik nachdachte. In diesem Moment fiel ein Apfel vom Baum (einer Version zufolge direkt auf den Kopf des Physikers, einer anderen zufolge fiel er einfach), der später zu Newtons berühmtem Apfel wurde, da er den Wissenschaftler zu einer Einsicht, einem Heureka, führte. Der Apfel, der auf Newtons Kopf fiel, inspirierte ihn dazu, das Gesetz der universellen Gravitation zu entdecken, denn der Mond am Nachthimmel blieb bewegungslos, aber der Apfel fiel, vielleicht dachte der Wissenschaftler, dass eine Kraft auf den Mond einwirkte (was dazu führte, dass er sich drehte). Umlaufbahn), also auf den Apfel, wodurch dieser zu Boden fällt.

Nach Ansicht einiger Wissenschaftshistoriker ist diese ganze Geschichte über den Apfel nur eine schöne Fiktion. Tatsächlich ist es nicht so wichtig, ob der Apfel gefallen ist oder nicht; wichtig ist, dass der Wissenschaftler tatsächlich das Gesetz der universellen Gravitation entdeckt und formuliert hat, das heute einer der Eckpfeiler sowohl der Physik als auch der Astronomie ist.

Natürlich beobachteten die Menschen lange vor Newton, dass sowohl Dinge zu Boden fielen als auch Sterne am Himmel, aber vor ihm glaubten sie, dass es zwei Arten der Schwerkraft gab: terrestrische (die ausschließlich innerhalb der Erde wirkt und Körper zum Fallen bringt) und himmlische ( Einwirkung auf Sterne und Mond). Newton war der erste, der diese beiden Arten der Schwerkraft in seinem Kopf kombinierte, der als erster verstand, dass es nur eine Schwerkraft gibt und ihre Wirkung durch ein universelles physikalisches Gesetz beschrieben werden kann.

Definition des Gesetzes der universellen Gravitation

Nach diesem Gesetz ziehen sich alle materiellen Körper gegenseitig an, und die Anziehungskraft hängt nicht von den physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Körper ab. Es kommt, wenn alles so weit wie möglich vereinfacht wird, nur auf das Gewicht der Körper und den Abstand zwischen ihnen an. Sie müssen außerdem berücksichtigen, dass alle Körper auf der Erde von der Gravitationskraft unseres Planeten selbst beeinflusst werden, die als Schwerkraft bezeichnet wird (aus dem Lateinischen wird das Wort „gravitas“ mit Schwere übersetzt).

Versuchen wir nun, das Gesetz der universellen Gravitation so kurz wie möglich zu formulieren und niederzuschreiben: Die Anziehungskraft zwischen zwei Körpern mit den Massen m1 und m2, die durch einen Abstand R voneinander getrennt sind, ist direkt proportional zu beiden Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat von der Abstand zwischen ihnen.

Formel für das Gesetz der universellen Gravitation

Im Folgenden stellen wir Ihnen die Formel des Gesetzes der universellen Gravitation vor.

G in dieser Formel ist die Gravitationskonstante, gleich 6,67408(31) 10−11, das ist die Stärke des Einflusses der Gravitationskraft unseres Planeten auf jedes materielle Objekt.

Das Gesetz der universellen Gravitation und Schwerelosigkeit von Körpern

Das von Newton entdeckte Gesetz der universellen Gravitation sowie der dazugehörige mathematische Apparat bildeten später die Grundlage der Himmelsmechanik und Astronomie, denn mit seiner Hilfe lässt sich die Natur der Bewegung von Himmelskörpern sowie das Phänomen erklären der Schwerelosigkeit. Da sich jedes materielle Objekt (z. B. ein Raumschiff mit Astronauten an Bord) im Weltraum in beträchtlicher Entfernung von der Anziehungskraft und Schwerkraft eines so großen Körpers wie eines Planeten befindet, befindet es sich aufgrund der Kraft in einem Zustand der Schwerelosigkeit Der gravitative Einfluss der Erde (G in der Formel für das Gravitationsgesetz) oder ein anderer Planet wird ihn nicht mehr beeinflussen.

Video

Und zum Schluss noch ein lehrreiches Video über die Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation.

Gravitationswechselwirkung. Schwache Interaktion.

Die schwache Kraft ist eine der vier Grundkräfte. Die Existenz einer solchen Wechselwirkung wurde durch die entdeckte Instabilität des Neutrons und einiger Atomkerne angezeigt. Es ist schwächer als stark und elektromagnetisch, aber stärker als die Gravitation. Aber im Alltag spielt die Gravitationswechselwirkung eine viel größere Rolle als die schwache. Das hat mit der Reichweite zu tun. Die Gravitationswechselwirkung hat rvz~ ∞. Daher unterliegen Körper, die sich auf der Erdoberfläche befinden, der Anziehungskraft aller Atome der Erde. Der Radius der schwachen Wechselwirkung ist sehr klein und wird mit etwa 10–16 cm angenommen. (drei Größenordnungen weniger als stark). Trotzdem spielt die schwache Wechselwirkung in der Natur eine wichtige Rolle. Wenn es möglich wäre, die schwache Wechselwirkung „auszuschalten“, würde die Sonne ausgehen, da der Prozess der Umwandlung eines Protons in ein Neutron, Positron und Neutrino nicht möglich wäre:

p → n + e + + ν, wodurch vier Protonen in Helium umgewandelt werden. Dieser Prozess dient als Energiequelle für die Sonne und andere Sterne. Von besonderer Bedeutung für die Entwicklung von Sternen sind schwache Wechselwirkungsprozesse mit Neutrino-Emission. Gäbe es keine schwachen Wechselwirkungen, wären Myonen, Pimesonen, seltsame und verzauberte Teilchen, die aufgrund starker Wechselwirkungen zerfallen, in gewöhnlicher Materie stabil und weit verbreitet. Die große Rolle schwacher Wechselwirkungen beruht auf der Tatsache, dass sie eine Reihe von Verboten nicht beachtet, die für starke und elektromagnetische Wechselwirkungen charakteristisch sind. Insbesondere gehorcht es nicht dem Paritätserhaltungsgesetz.

Der häufigste durch schwache Wechselwirkung verursachte Prozess ist β – der Zerfall radioaktiver Kerne. Als Ergebnis dieses Prozesses werden im Kern ein Elektron und ein Neutrino geboren. Der Beginn der Erforschung schwacher Wechselwirkungen ist die Entdeckung der natürlichen Radioaktivität durch A. Becquerel im Jahr 1896, also dem spontanen Zerfall von Urankernen, begleitet von Strahlung. Die Analyse dieser Strahlung ergab, dass sie aus drei Arten besteht, von denen eine als β-Strahlung bezeichnet wurde und sich später als Elektronenfluss herausstellte. Untersuchungen der Merkmale der β-Strahlung, des Ausstoßes von Elektronen aus Kernen, die dort nicht existieren, der kontinuierlichen Natur ihres Energiespektrums und der Schwierigkeit, das Spinerhaltungsgesetz zu erfüllen, haben zu der Idee der Existenz eines Besonderen geführt Art der fundamentalen Wechselwirkung, die nicht auf bekannte Wechselwirkungen reduziert werden kann. Diese Wechselwirkung wurde als schwach bezeichnet.

In der modernen Physik geht man davon aus, dass alle bekannten Arten von Wechselwirkungen Phänomene gleicher Natur sind und einheitlich beschrieben werden sollten. (Große Vereinigung, Supervereinigung). Bisher wurde eine einheitliche Theorie schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkungen entwickelt.

Gravitationswechselwirkung.

Schwerkraft, Gravitation, Gravitationswechselwirkung ist eine universelle Wechselwirkung zwischen allen Arten von Materie. Das von Newton formulierte Gesetz der universellen Gravitation gilt, wenn die Wechselwirkung relativ schwach ist und sich Körper mit Geschwindigkeiten bewegen, die deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit liegen. Im Allgemeinen wird die Schwerkraft von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie als die Wirkung der Materie auf die Eigenschaften der vierdimensionalen Raumzeit beschrieben. Diese Eigenschaften der Raumzeit beeinflussen wiederum die Bewegung von Körpern und andere physikalische Prozesse. Dadurch unterscheidet sich die Schwerkraft deutlich von anderen fundamentalen Wechselwirkungen. Doch die moderne Physik hält es für möglich, dass sich bei sehr hohen Energien alle Arten zu einer einzigen Wechselwirkung verbinden.

Die Hypothese der Schwerkraft als universelle Eigenschaft von Körpern tauchte in der Antike auf und wurde im 16. und 17. Jahrhundert in Europa wiederbelebt. I. Kepler argumentierte beispielsweise, dass „die Schwerkraft das gegenseitige Verlangen aller Körper ist“. Schließlich formulierte I. Newton 1678 in seinem berühmten Werk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“ das Gesetz der universellen Gravitation mathematisch. In dieser Formulierung gilt das Gesetz unter der Voraussetzung, dass die Körper als materielle Punkte angesehen werden können. Der Zahlenwert der Gravitationskonstante wurde 1798 von G. Cavendish bestimmt: G = 6,6745(8) * 10 -11 m 3 s -2 kg -1 . Die Wechselwirkung mehrerer Körper, die materiellen Punkten unterliegen, wird durch das Prinzip der Kräfteüberlagerung bestimmt. Nach dem gleichen Prinzip können Sie die Wechselwirkungskraft zwischen Körpern endlicher Größe bestimmen, wenn Sie sie zunächst in Teile zerlegen, die als materielle Punkte betrachtet werden können. Nach Formel (1) hängt die Gravitationskraft nur von der Position der Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt ab. Dies entspricht der Bedingung, dass sich die Interaktion sofort ausbreitet. Unter Berücksichtigung der endlichen, aber recht hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wechselwirkungen, die von der modernen Physik bestätigt wird, kann Formel (1) bei nicht hohen Bewegungsgeschwindigkeiten und für Körper angewendet werden, die sich in nicht sehr großen Entfernungen befinden. Diese Situation tritt bei Körpern des Sonnensystems auf.

Schwerkraft, was ist das? Wie kann man es einem Kind erklären? Was ist Schwerkraft?

Schwerkraft oder Gravitation ist die Anziehungskraft zwischen zwei Materieteilchen (oder zwei Objekten), die die Planeten auf ihren Umlaufbahnen um die Sonne oder den Mond auf seiner Umlaufbahn um die Erde hält. (Mit zunehmender Entfernung zwischen zwei Objekten nimmt ihre Anziehungskraft ab.) Die Schwerkraft ist auch die Kraft, die verhindert, dass ein Objekt auf der Erde oder ein anderer Himmelskörper in den Weltraum fliegt. Je größer das Objekt, desto stärker ist seine Anziehungskraft und umgekehrt. Da der Mond viel kleiner als die Erde ist, beträgt seine Anziehungskraft nur ein Sechstel der unseres Planeten. Aus diesem Grund konnten sich amerikanische Astronauten auf dem Mond ohne große Anstrengung mit großen Sprüngen fortbewegen.

Die Schwerkraft erklärt auch, warum die Erde – und andere Planeten und Himmelskörper – im Allgemeinen eine runde Form haben. Als unser Sonnensystem entstand, zog die Schwerkraft Staub und Gase zusammen, die durch den Weltraum flogen. Wenn sich eine große Menge Materie gleichzeitig an einem Ort sammelt, bildet diese Materie eine Kugel, während die Schwerkraft alles zu einem zentralen Punkt zieht. Dennoch ist die Erde nicht vollkommen rund. Bei der Drehung um die eigene Achse entsteht eine zusätzliche Kraft, unter deren Einfluss sich die Erde im mittleren Bereich leicht „ausbeult“.

Video Was ist Schwerkraft?

Die stärksten Kräfte, die wir kennen, verbinden die Bestandteile des Atomkerns. Um sie zu trennen, muss man wirklich enorm viel Energie aufwenden. Was Elektronen betrifft, so sind sie nur durch gewöhnliche elektromagnetische Wechselwirkung an den Kern „gebunden“. Um es zu stoppen, reicht manchmal die Energie aus, die als Ergebnis der gewöhnlichsten chemischen Reaktion entsteht. Die Schwerkraft (Sie wissen bereits, was sie ist) in Form von Atomen und subatomaren Teilchen ist die einfachste Art der Wechselwirkung.

Im Gegensatz zu Atomkräften macht sich die Anziehungskraft durch die Schwerkraft in größerer Entfernung von einem Objekt stärker bemerkbar. So hält die Schwerkraft der Erde sogar den Mond in ihrem Feld, und eine ähnliche Kraft des Jupiter unterstützt problemlos die Umlaufbahnen mehrerer Satelliten gleichzeitig, deren Masse durchaus mit der der Erde vergleichbar ist!
Darüber hinaus sorgt es immer für eine Anziehung zwischen Objekten, und mit der Entfernung schwächt sich diese Kraft bei geringer Geschwindigkeit ab.

Das ist Schwerkraft. Was ist Schwerkraft?

Schwerkraft (Gravitation) ist die Kraft, die zwei Körper zueinander anzieht, die Kraft, die Äpfel auf den Boden fallen lässt und Planeten um die Sonne kreisen lässt. Je massereicher ein Objekt ist, desto stärker ist seine Anziehungskraft.

Grundlegende Stärke

Die Schwerkraft ist neben den elektromagnetischen Kräften und den starken und schwachen Kernkräften eine der vier Grundkräfte.

Dies ist es, was dazu führt, dass Gegenstände Gewicht haben. Wenn Sie sich wiegen, zeigt Ihnen die Waage an, wie stark die Schwerkraft auf Ihren Körper einwirkt. Auf der Erde beträgt die Schwerkraft 9,8 Meter pro Quadratsekunde oder 9,8 m/s2.

Philosophen wie Aristoteles glaubten, dass schwerere Objekte schneller auf den Boden zusteuern. Spätere Experimente zeigten jedoch, dass dies nicht der Fall war. Der Grund dafür, dass eine Feder langsamer fällt als eine Bowlingkugel, ist der Luftwiderstand, der wie die Erdbeschleunigung in die entgegengesetzte Richtung wirkt.

Newtons Gesetz der universellen Gravitation besagt, dass die Schwerkraft direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist.

Isaac Newton entwickelte in den 1680er Jahren seine Theorie der universellen Schwerkraft. Er entdeckte, dass die Schwerkraft alle Materie beeinflusst und sowohl von der Masse als auch von der Entfernung abhängt. Jedes Objekt zieht ein anderes Objekt mit einer Kraft an, die proportional zum Produkt seiner Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist.

Relativitätstheorie

Newton veröffentlichte 1687 sein Werk über die Schwerkraft, das als beste Erklärung galt, bis Einstein 1915 seine Allgemeine Relativitätstheorie vorstellte. In Einsteins Theorie ist die Schwerkraft keine Kraft, sondern eine Folge der Verzerrung der Materie in der Raumzeit. Eine der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie besagt, dass sich Licht um massive Objekte herum biegen wird.

Lustige Fakten

Die Schwerkraft des Mondes beträgt etwa 16 Prozent der Schwerkraft der Erde, der Mars hat etwa 38 Prozent der Schwerkraft der Erde, während der größte Planet im Sonnensystem, Jupiter, das 2,5-fache der Schwerkraft der Erde hat.
Obwohl niemand die Schwerkraft „entdeckt“ hat, soll der berühmte Astronom Galileo Galilei der Legende nach einige der frühesten Experimente zur Schwerkraft durchgeführt haben, indem er Kugeln vom Schiefen Turm von Pisa fallen ließ, um zu sehen, wie schnell sie fielen.
Isaac Newton war gerade 23 Jahre alt und kam von der Universität zurück, als er einen Apfel in seinem Garten fallen sah und begann, die Geheimnisse der Schwerkraft zu entschlüsseln. (Vielleicht ist dies ein Mythos über einen Apfel, der ihm auf den Kopf fällt).
Ein frühes Maß für Einsteins Relativitätstheorie war die Ablenkung des Sternenlichts in der Nähe der Sonne während einer Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919.
Schwarze Löcher sind massive Objekte mit einer so starken Schwerkraft, dass nicht einmal Licht ihnen entkommen kann.
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie ist nicht mit der Quantenmechanik vereinbar, den bizarren Gesetzen, die das Verhalten winziger Teilchen wie Photonen und Elektronen bestimmen, aus denen das Universum besteht.

Typ