Что такое мантия в географии. Мантия земли. Давление и температура

Согласно законам Ньютона, движение тела с ускорением возможно только под действием силы. Т.к. падающие тела движутся с ускорением, направленным вниз, то на них действует сила притяжения к Земле. Но не только Земля обладает свойством действовать на все тела силой притяжения. Исаак Ньютон предположил, что между всеми телами действуют силы притяжения. Эти силы называются силами всемирного тяготения илигравитационными силами.

Распространив установленные закономерности – зависимость силы притяжения тел к Земле от расстояний между телами и от масс взаимодействующих тел, полученные в результате наблюдений,– Ньютон открыл в 1682 г. закон всемирного тяготения :Все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Векторы сил всемирного тяготения направлены вдоль прямой, соединяющей тела. Коэффициент пропорциональности Gназываетсягравитационной постоянной (постоянной всемирного тяготения) и равна

.

Силой тяжести называется сила притяжения, действующая со стороны Земли на все тела:

.

Пусть
– масса Земли, а
– радиус Земли. Рассмотрим зависимость ускорения свободного падения от высоты подъема над поверхностью Земли:

Вес тела. Невесомость

Вес тела – сила, с которой тело давит на опору или подвес вследствие притяжения этого тела к земле. Вес тела приложен к опоре (подвесу). Величина веса тела зависит от того, как движется тело с опорой (подвесом).

Вес тела, т.е. сила, с которой тело действует на опору, и сила упругости, с которой опора действует на тело, в соответствие с третьим законом Ньютона равны по абсолютному значению и противоположны по направлению.

Если тело находится в покое на горизонтальной опоре или равномерно движется, на него действуют только сила тяжести и сила упругости со стороны опоры, следовательно вес тела равен силе тяжести (но эти силы приложены к разным телам):

.

При ускоренном движении вес тела не будет равен силе тяжести. Рассмотрим движение тела массой mпод действием сил тяжести и упругости с ускорением. По 2-му закону Ньютона:

Если ускорение тела направлено вниз, то вес тела меньше силы тяжести; если ускорение тела направлено вверх, то все тела больше силы тяжести.

Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой .

Если тело свободно падает, то из формулы * следует, что вес тела равен нулю. Исчезновение веса при движении опоры с ускорением свободного падения называется невесомостью .

Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении их с ускорением свободного падения независимо от скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением; поэтому в корабле наблюдается явление невесомости.

Движение тела под действием сил тяжести. Движение искусственных спутников. Первая космическая скорость

Если модуль перемещения тела много меньше расстояния до центра Земли, то можно считать силу всемирного тяготения во время движения постоянной, а движение тела равноускоренным. Самый простой случай движения тела под действием силы тяжести – свободное падение с нулевой начальной скоростью. В этом случае тело движется с ускорением свободного падения к центру Земли. Если есть начальная скорость, направленная не по вертикали, то тело движется по криволинейной траектории (параболе, если не учитывать сопротивление воздуха).

При некоторой начальной скорости тело, брошенное по касательной к поверхности Земли, под действием силы тяжести при отсутствии атмосферы может двигаться по окружности вокруг Земли, не падая на нее и не удаляясь от нее. Такая скорость называется первой космической скоростью , а тело, движущееся таким образом –искусственным спутником Земли (ИСЗ) .

Определим первую космическую скорость для Земли. Если тело под действием силы тяжести движется вокруг Земли равномерно по окружности, то ускорение свободного падения является его центростремительным ускорением:

.

Отсюда первая космическая скорость равна

.

Первая космическая скорость для любого небесного тела определяется таким же образом. Ускорение свободного падения на расстоянии R от центра небесного тела можно найти, воспользовавшись вторым законом Ньютона и законом всемирного тяготения:

.

Следовательно, первая космическая скорость на расстоянии R от центра небесного тела массойM равна

.

Для запуска на околоземную орбиту ИСЗ необходимо сначала вывести за пределы атмосферы. Поэтому космические корабли стартуют вертикально. На высоте 200 – 300 км от поверхности Земли, где атмосфера разрежена и почти не влияет на движение ИСЗ, ракета делает поворот и сообщает ИСЗ первую космическую скорость в направлении, перпендикулярном вертикали.

Не только самая загадочная из сил природы , но и самая могучая.

Человек на пути прогресса

Исторически получилось, что человек по мере своего движения вперед по пути прогресса овладевал все более могучими силами природы. Он начинал, когда у него ничего не было, кроме палки, зажатой в кулаке, и собственных физических сил.

Но он был мудр, и он привлек на службу себе физическую силу животных, сделав их домашними. Лошадь ускорила его бег, верблюд сделал проходимыми пустыни, слон - болотистые джунгли. Но физические силы даже самых сильных животных неизмеримо малы перед силами природы.

Первой человек подчинил себе стихию огня, но лишь в самых ослабленных его вариантах. Вначале - в течение многих веков - использовал он в качестве горючего только дерево - очень малоэнергоемкий вид топлива. Несколько позже этого источника энергии научился он использовать энергию ветра, человек поднял в воздух белое крыло паруса - и легкое судно птицей полетело по волнам.

Парусник на волнах

Он подставил порывам ветра лопасти ветряной мельницы - и завращались тяжелые камни жерновов, застучали песты крупорушек. Но каждому ясно, что энергия воздушных струй далеко не принадлежит к числу концентрированных. К тому же и парус, и ветряк боялись ударов ветра: шторм рвал паруса и топил корабли, буря ломала крылья и переворачивала мельницы.

Еще позже человек начал покорение текущей воды. Колесо - не только самое примитивное из устройств, способных превращать энергию воды во вращательное движение, но и самое маломощное по сравнению с разнообразными .

Человек шел все вперед по лестнице прогресса и нуждался все в больших количествах энергии.
Он начал использовать новые виды топлива - уже переход на сжигание каменного угля поднял энергоемкость килограмма горючего с 2500 ккал до 7000 ккал - почти в три раза. Потом пришла пора нефти и газа. Снова в полтора-два раза выросло энергосодержание каждого килограмма ископаемого топлива.

На смену паровым машинам пришли паровые турбины; мельничные колеса заменялись гидравлическими турбинами. Далее протянул человек руку к расщепляющемуся атому урана. Однако первое применение нового вида энергии имело трагические последствия - ядерное пламя Хиросимы 1945 года испепелило в течение считанных минут 70 тысяч человеческих сердец.

В 1954 году вступила в строй первая в мире советская атомная электростанция, превращавшая мощь урана в сияющую силу электрического тока. И надо отметить, что килограмм урана содержит в себе в два миллиона раз больше энергии, чем килограмм лучшей нефти.

Это был принципиально новый огонь, который можно было бы назвать физическим, ибо именно физики изучили процессы, приводящие к рождению столь баснословных количеств энергии.
Уран - не единственное ядерное горючее. Уже используется более могучий вид горючего - изотопы водорода.

К сожалению, человек еще не смог подчинить себе водородно-гелиевое ядерное пламя. Он умеет на мгновение зажигать его всесжигающий костер, поджигая реакцию в водородной бомбе вспышкой уранового взрыва. Но все ближе и ближе видится ученым и водородный реактор, который будет рождать электрический ток в результате слияния ядер изотопов водорода в ядра гелия.

Опять почти в десять раз возрастет количество энергии, которое сможет взять человек от каждого килограмма топлива. Но разве этот шаг будет последним в грядущей истории власти человечества над силами природы?

Нет! Впереди - овладение гравитационным видом энергии. Она еще более расчетливо упакована природой, чем даже энергия водородно-гелиевого синтеза. Сегодня это самый концентрированный вид энергии, о каком может хотя бы догадываться человек.

Ничего дальше пока не видно там, за передним краем науки. И хотя убежденно можно сказать, что будут работать для человека электростанции, перерабатывающие гравитационную энергию в электрический ток (а может быть, в струю газа, вылетающего из сопла реактивного двигателя, или же в запланированные превращения вездесущих атомов кремния и кислорода в атомы сверхредких металлов), мы ничего пока не можем сказать о деталях такой электростанции (ракетного двигателя, физического реактора).

Сила всемирного тяготения у истоков рождения Галактик

Сила всемирного тяготения стоит у истоков рождения Галактик из дозвездного вещества, как в том убежден академик В. А. Амбарцумян. Она же гасит звезды, отгоревшие свой срок, истратившие отпущенное им при рождении звездное горючее.

Да оглянитесь вокруг: и у нас на Земле все в значительной мере управляется этой силой.

Это она определяет слоистое строение нашей планеты - чередование литосферы, гидросферы и атмосферы. Это она удерживает толстый слой газов воздуха, на дне которого и благодаря которому существуем все мы.

Не будь тяготения, Земля тут же сорвалась бы со своей орбиты вокруг Солнца, и сам шар земной развалился бы на части, разорванный центробежными силами. Трудно найти что-нибудь, что не было бы в той или иной степени зависимо от силы всемирного тяготения.

Конечно, древние философы, люди очень наблюдательные, не могли не заметить, что брошенный вверх камень всегда возвращается обратно. Платон в IV веке до нашей эры объяснил это тем, что все вещества Вселенной стремятся туда, где сосредоточена большая часть аналогичных веществ: брошенный камень падает на землю или идет ко дну, пролитая вода просачивается в ближайший пруд или в речку, пробивающую себе путь к морю, дым костра устремляется к родственным ему облакам.

Ученик Платона, Аристотель, уточнил, что все тела обладают особыми свойствами тяжести и легкости. Тяжелые тела - камни, металлы - устремляются к центру Вселенной, легкие - огонь, дым, пары - к периферии. Эта гипотеза, объясняющая некоторые явления, связанные с силой всемирного тяготения, просуществовала более 2 тысяч лет.

Ученые о силе всемирного тяготения

Наверное, первым, поставившим вопрос о силе всемирного тяготения действительно научно, был гений Возрождения - Леонардо да Винчи. Леонардо провозгласил, что тяготение свойственно не только Земле, что центров тяготения множество. И он же высказал мысль, что сила тяготения зависит от расстояний до центра тяготения.

Работы Коперника, Галилея, Кеплера, Роберта Гука все ближе и ближе подводили к представлению о законе всемирного тяготения, но в окончательной своей формулировке этот закон навсегда связан с именем Исаака Ньютона.

Исаак Ньютон о силе всемирного тяготения

Родился 4 января 1643 года. Кончил Кембриджский университет, стал бакалавром, затем - магистром наук.

Исаак Ньютон

Все дальнейшее - бесконечное богатство научных работ. Но главный его труд - «Математические начала натуральной философии», изданный в 1687 году и обычно называемый просто «Начала». В них-то и сформулирован великий . Наверное, каждый помнит его еще из средней школы.

Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними…

Некоторые положения этой формулировки удавалось предвосхитить предшественникам Ньютона, но никому еще она не далась целиком. Нужен был гений Ньютона, чтобы собрать эти осколки в единое целое, чтобы распространить притяжение Земли до Луны, а Солнца - на всю планетную систему.

Из закона всемирного тяготения Ньютон вывел все законы движения Планет, открытые до того Кеплером. Они оказались просто его следствиями. Мало того, Ньютон показал, что не только законы Кеплера, но и отступления от этих законов (в мире трех и более тел) являются следствием всемирного тяготения… Это было великим триумфом науки.

Казалось, открыта наконец и математически описана главная сила природы, движущая мирами, сила, которой подвластны и молекулы воздуха, и яблоки, и Солнце. Гигантским, неизмеримо огромным был шаг, совершенный Ньютоном.

Первый популяризатор работ гениального ученого французский писатель Франсуа Мари Аруэ, всемирно известный под псевдонимом Вольтер, поведал, что Ньютон вдруг догадался о существовании закона, названного его именем, когда взглянул на падающее яблоко.

Сам Ньютон об этом яблоке никогда не упоминал. И вряд ли стоит сегодня терять время на опровержение этой красивой легенды. И, видимо, к постижению великой силы природы Ньютон пришел путем логического рассуждения. Вероятно, именно оно и вошло в соответствующую главу «Начал».

Сила всемирного тяготения воздействует на полет ядра

Предположим, что на очень высокой горе, такой высокой, что ее вершина находится уже вне атмосферы, мы установили гигантское артиллерийское орудие. Ствол его расположили строго параллельно поверхности земного шара и выстрелили. Описав дугу, ядро падает на Землю .

Увеличиваем заряд, улучшаем качество пороха, тем или иным способом заставляем ядро после следующего выстрела двигаться с большей скоростью. Дуга, описанная ядром, становится более пологой. Ядро падает значительно дальше от подножия нашей горы.

Еще увеличиваем заряд и стреляем. Ядро летит по такой пологой траектории, что она снижается параллельно поверхности земного шара. Ядро уже не может упасть на Землю: с той же скоростью, с какой оно снижается, убегает из-под него Земля. И, описав кольцо вокруг нашей планеты, ядро возвращается к точке вылета.

Орудие можно тем временем снять. Ведь полет ядра вокруг земного шара займет свыше часа. И тогда ядро стремительно пронесется над вершиной горы и отправится в новый облет Земли. Упасть, если, как мы условились, ядро не испытывает никакого сопротивления воздуха, оно не сможет никогда.

Скорость ядра для этого должна быть близкой к 8 км/сек. А если еще увеличить скорость полета ядра? Оно сначала полетит по дуге, более пологой, чем кривизна земной поверхности, и начнет удаляться от Земли. При этом скорость его под влиянием притяжения Земли будет уменьшаться.

И, наконец, повернувшись, оно начнет как бы падать обратно на Землю, но пролетит мимо нее и замкнет уже не круг, а эллипс. Ядро будет двигаться вокруг Земли точь-в-точь так же, как Земля движется вокруг Солнца, а именно по эллипсу, в одном из фокусов которого будет находиться центр нашей планеты.

Если еще увеличить начальную скорость ядра, эллипс получится более растянутый. Можно так растянуть этот эллипс, что ядро долетит до лунной орбиты или даже значительно дальше. Но до тех пор, пока начальная скорость этого ядра не превысит 11,2 км/сек, оно будет оставаться спутником Земли.

Ядро, получившее при выстреле скорость свыше 11,2 км/сек, навсегда улетит с Земли по параболической траектории. Если эллипс - замкнутая кривая, то парабола - кривая, имеющая две уходящие в бесконечность ветви. Двигаясь по эллипсу, каким бы вытянутым он ни был, мы неизбежно будем систематически возвращаться к исходной точке. Двигаясь же по параболе, в исходную точку мы никогда не вернемся.

Но, покинув Землю с этой скоростью, ядро еще не сможет улететь в бесконечность. Могучее тяготение Солнца изогнет траекторию ее полета, замкнет вокруг себя наподобие траектории планеты. Ядро станет сестрой Земли, самостоятельной крохотной планеткой в нашей семье планет.

Для того чтобы направить ядро за пределы планетной системы, преодолеть солнечное притяжение, надо сообщить ему скорость свыше 16,7 км/сек, да направить его так, чтобы к этой скорости приложилась скорость собственного движения Земли.

Скорость около 8 км/сек (эта скорость зависит от высоты горы, с которой стреляет наша пушка) называется круговой скоростью, скорости от 8 до 11,2 км/сек - эллиптическими, от 11,2 до 16,7 км/сек - параболическими, а свыше этого числа - освобождающими скоростями.

Здесь же следует добавить, что приведенные значения этих скоростей справедливы только для Земли. Если бы мы жили на Марсе, круговая скорость была бы для нас достижима значительно более легко - она там составляет всего около 3,6 км/сек, а параболическая скорость лишь незначительно превосходит 5 км/сек.

Зато отправить ядро в космический рейс с Юпитера было бы значительно труднее, чем с Земли: круговая скорость на этой планете равна 42,2 км/сек, а параболическая - даже 61,8 км/сек!

Наиболее трудно было бы покинуть свой мир жителям Солнца (если бы, конечно, таковые могли существовать). Круговая скорость этого гиганта должна составлять 437,6, а отрывная - 618,8 км/сек!

Так Ньютон в конце XVII века, за сто лет до первого полета наполненного теплым воздухом воздушного шара братьев Монгольфье, за двести лет до первых полетов аэроплана братьев Райт и почти за четверть тысячелетия до взлета первых жидкостных ракет, указал путь в небо спутникам и космическим кораблям.

Сила всемирного тяготения присуща в каждой сфере

С помощью закона всемирного тяготения были открыты неизвестные планеты, созданы космогонические гипотезы происхождения Солнечной системы. Открыта и математически описана та главная сила природы, которой подвластны и звезды, и планеты, и яблоки в саду, и молекулы газов в атмосфере.

Но нам неизвестен механизм всемирного тяготения. Ньютоновское тяготение не объясняет, а представляет наглядно современное состояние движения планет.

Нам неизвестно, чем, какими причинами вызывается взаимодействие всех тел Вселенной. И нельзя сказать, чтобы Ньютона не заинтересовала эта причина. На протяжении многих лет размышлял он над ее возможным механизмом.

Кстати, это действительно чрезвычайно таинственная сила. Сила, проявляющая себя через сотни миллионов километров пространства, лишенного на первый взгляд каких-либо материальных образований, с помощью которых можно было бы объяснить передачу взаимодействия.

Гипотезы Ньютона

И Ньютон прибегнул к гипотезе о существовании некоего эфира, заполняющего якобы всю Вселенную. В 1675 году он объяснил притяжение к Земле тем, что заполняющий всю Вселенную эфир непрерывными потоками устремляется к центру Земли, захватывая в этом движении все предметы и создавая силу тяготения. Такой же поток эфира устремляется к Солнцу и, увлекая за собой планеты, кометы, обеспечивает их эллиптические траектории…

Это была не очень убедительная, хотя и абсолютно математически логичная гипотеза. Но вот, в 1679 году Ньютон создал новую гипотезу, объясняющую механизм тяготения. На этот раз он наделяет эфир свойством иметь различную концентрацию вблизи планет и вдали от них. Чем дальше от центра планеты, тем якобы плотнее эфир. И есть у него свойство выдавливать все материальные тела из своих более плотных слоев в менее плотные. И выдавливаются все тела на поверхность Земли.

В 1706 году Ньютон резко отрицает само существование эфира. В 1717 году он вновь возвращается к гипотезе выдавливающего эфира.

Гениальный мозг Ньютона бился над разгадкой великой тайны и не находил ее. Этим и объясняются столь резкие метания из стороны в сторону. Ньютон любил повторять:

Гипотез я не строю.

И хотя, как мы только смогли убедиться, это не совсем истинно, точно можно констатировать другое: Ньютон умел четко отграничивать вещи бесспорные от зыбких и спорных гипотез. И в «Началах» есть формула великого закона, но нет никаких попыток объяснить его механизм.
Великий физик завещал эту загадку человеку будущего. Умер он в 1727 году.
Она не разгадана и сегодня.

Два века заняла дискуссия о физической сущности закона Ньютона. И может быть, эта дискуссия не касалась бы самой сущности закона, если бы отвечал он точно на все задаваемые ему вопросы.

Но в том-то и дело, что со временем оказалось, что закон этот не универсален. Что есть случаи, когда он не может объяснить того или иного явления. Приведем примеры.

Сила всемирного тяготения в расчетах Зеелигера

Первый из них - парадокс Зеелигера. Считая Вселенную бесконечной и равномерно заполненной веществом, Зеелигер попробовал рассчитать по закону Ньютона силу всемирного тяготения, создаваемую всей бесконечно большой массой бесконечной Вселенной в какой-нибудь ее точке.

Это была непростая с точки зрения чистой математики задача. Преодолев все трудности сложнейших преобразований, Зеелигер установил, что искомая сила всемирного тяготения пропорциональна радиусу Вселенной. А раз этот радиус равен бесконечности, то и сила тяготения должна быть бесконечно большой. Однако практически мы этого не наблюдаем. Значит, закон всемирного тяготения не приложим ко всей Вселенной.

Впрочем, возможны и другие объяснения парадокса. Например, можно считать, что вещество не равномерно заполняет всю Вселенную, а плотность его постепенно убывает и, наконец, где-то очень далеко материи нет совсем. Но представить такую картину - значит допустить возможности существования пространства без материи, что вообще абсурдно.

Можно считать, что сила всемирного тяготения ослабевает быстрее, чем растет квадрат расстояния. Но это ставит под сомнение удивительную стройность закона Ньютона. Нет, и это объяснение не удовлетворило ученых. Парадокс оставался парадоксом.

Наблюдения за движением Меркурия

Другой факт, действия силы всемирного тяготения, не объяснимый законом Ньютона, принесли наблюдения за движением Меркурия - ближайшей к планеты. Точные вычисления по закону Ньютона показали, что перегелий - наиболее близкая к Солнцу точка эллипса, по которому движется Меркурий,- должен смещаться на 531 угловую секунду за 100 лет.

А астрономы установили, что это смещение равно 573 угловым секундам. Вот этот избыток - 42 угловых секунды - тоже не могли объяснить ученые, пользуясь только формулами, вытекающими из закона Ньютона.

Объяснил и парадокс Зеелигера, и смещение перегелия Меркурия, и многие другие парадоксальные явления и необъяснимые факты Альберт Эйнштейн , один из самых великих, если не самый великий физик всех времен и народов. К числу досадных мелочей относился и вопрос об эфирном ветре .

Опыты Альберта Майкельсона

Казалось, вопрос этот прямо проблемы тяготения не касается. Относился он к оптике, к свету. Точнее, к определению его скорости.

Впервые скорость света определил датский астроном Олаф Ремер , наблюдая затмение спутников Юпитера. Это произошло еще в 1675 году.

Американский физик Альберт Майкельсон в конце XVIII века провел серию определений скорости света в земных условиях, пользуясь сконструированными им аппаратами.

В 1927 году он дал для скорости света значение 299796 + 4 км/сек - это была отличная по тем временам точность. Но суть дела в другом. В 1880 году он решил исследовать эфирный ветер. Он хотел наконец установить существование того самого эфира, наличием которого пытались объяснить и передачу гравитационного взаимодействия, и передачу световых волн.

Майкельсон был, вероятно, самым замечательным экспериментатором своего времени. Он располагал великолепной аппаратурой. И был почти уверен в успехе.

Суть опыта

Опыт был задуман такой. Земля движется по своей орбите со скоростью около 30 км/сек . Движется через эфир. Значит, скорость света от источника, стоящего впереди приемника относительно движения Земли, должна быть большей, чем от источника, стоящего с другой стороны. В первом случае к скорости света должна прибавиться скорость эфирного ветра, во втором случае скорость света должна уменьшиться на эту величину.

Конечно, скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца составляет всего одну десятитысячную скорости света. Обнаружить столь небольшое слагаемое очень нелегко, однако не зря называли Майкельсона королем точности. Он применил хитроумный способ, чтобы уловить «неуловимую» разницу в скоростях лучей света.

Он расщепил луч на два равных потока и направил их во взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль меридиана и по параллели. Отразившись от зеркал, лучи возвращались. В случае если бы идущий по параллели луч испытал влияние эфирного ветра, при сложении его с меридиональным лучом должны бы были возникнуть интерференционные полосы, волны двух лучей оказались бы сдвинутыми по фазе.

Впрочем, Майкельсону было трудно со столь большой точностью отмерить пути обоих лучей, чтобы они были абсолютно одинаковыми. Поэтому он построил аппарат так, что интерференционных полос не было, а затем повернул его на 90 градусов.

Меридиональный луч стал широтным и наоборот. Если есть эфирный ветер, должны будут появиться черные и светлые полоски под окуляром! Но их не было. Возможно, при повороте аппарата ученый сдвинул его.

Он настроил его в полдень и закрепил. Ведь кроме того, что , она еще вращается вокруг оси. И поэтому в разное время суток широтный луч занимает различное положение относительно встречного эфирного ветра. Вот теперь-то, когда прибор строго неподвижен, можно быть убежденным в точности опыта.

Интерференционных полос снова не оказалось. Опыт был проведен много раз, и Майкельсон, а вместе с ним и все физики того времени были поражены. Эфирного ветра не обнаружилось! Свет во все стороны двигался с одной и той же скоростью!

Объяснить этого никто не сумел. Майкельсон еще и еще повторил опыт, совершенствовал аппаратуру и, наконец, добился почти невероятной точности измерений, на порядок большей, чем необходимо было для успеха опыта. И снова ничего!

Опыты Альберта Эйнштейна

Следующий большой шаг в познании силы всемирного тяготения сделал Альберт Эйнштейн .
Однажды у Альберта Эйнштейна спросили:

Как вы пришли к вашей специальной теории относительности? При каких обстоятельствах осенила вас гениальная догадка? Ученый ответил: - Мне всегда представлялось, что дело обстоит именно так.

Может быть, ему не хотелось откровенничать, может быть, он хотел отделаться от докучного собеседника. Но трудно себе представить, чтобы открытое Эйнштейном представление о связях времени, пространства и скорости было врожденным.

Нет, конечно, сначала мелькнула догадка, яркая, как молния. Потом началось развитие ее. Нет, противоречий с известными явлениями нет. А затем уже появились те пять страниц, насыщенных формулами, которые были опубликованы в физическом журнале. Страницы, открывшие новую эру в физике.

Представьте себе летящий в пространстве звездолет. Сразу предупредим: звездолет очень своеобразный, такой, о каком вы и в фантастических рассказах не читали. Длина его - 300 тысяч километров, а скорость - ну, скажем, 240 тысяч км/сек. И пролетает этот звездолет мимо одной из промежуточных в космосе платформ, не останавливаясь у нее. На полной скорости.

На палубе звездолета стоит с часами один из его пассажиров. А мы с вами, читатель, стоим на платформе - ее длина должна соответствовать величине звездолета, т. е. 300 тысячам километров, ибо иначе он не сможет пристать к ней. И в руках у нас тоже часы.

Мы замечаем: в тот миг, когда нос звездолета поравнялся с задней границей нашей платформы, на нем вспыхнул фонарь, осветивший окружающее его пространство. Через секунду луч света достиг передней границы нашей платформы. Мы не сомневаемся в этом, ибо знаем скорость света, и нам удалось точно засечь по часам соответствующий момент. А на звездолете…

Но навстречу лучу света летел и звездолет. И мы совершенно определенно видели, что свет озарил его корму в тот момент, когда она была где-то вблизи середины платформы. Мы определенно видели, что луч света преодолел не 300 тысяч километров от носа до кормы корабля.

Но пассажиры на палубе звездолета уверены в другом. Они уверены, что их луч преодолел все расстояние от носа до кормы в 300 тысяч километров. Ведь он потратил на это целую секунду. Они тоже абсолютно точно засекли это по своим часам. Да и как может быть иначе: ведь скорость света не зависит от скорости движения источника…

Как же так? Нам с неподвижной платформы представляется одно, а им на палубе звездолета другое? В чем дело?

Теория относительности Эйнштейна

Надо заметить сразу: теория относительности Эйнштейна на первый взгляд абсолютно противоречит нашим установившимся представлением о строении мира. Можно сказать, что она противоречит и здравому смыслу, как мы привыкли его представлять. Такое не раз случалось в истории науки.

Но и открытие шарообразности Земли противоречило здравому смыслу. Как это могут жить на противоположной стороне люди и не падать в бездну?

Для нас шарообразность Земли факт несомненный, и с точки зрения здравого смысла всякое иное предположение бессмысленно и дико. Но оторвитесь от своего времени, представьте первое появление этой идеи, и станет понятно, как трудно было бы ее принять.

Ну а разве легче было признать, что Земля не неподвижна, а летит по своей траектории в десятки раз быстрее пушечного ядра?

Все это были крушения здравого смысла. Поэтому современные физики никогда не ссылаются на него.

А теперь вернемся к специальной теории относительности. Мир узнал ее впервые в 1905 году из статьи, подписанной мало кому известным именем - Альберт Эйнштейн. И было ему в то время всего 26 лет.

Эйнштейн сделал из этого парадокса очень простое и логичное предположение: с точки зрения наблюдателя, находящегося на платформе, в движущемся вагоне прошло меньше времени, чем отмерили ваши наручные часы. В вагоне ход времени замедлился по сравнению с временем на неподвижной платформе.

Из этого предположения логически проистекали совершенно удивительные вещи. Оказывалось, что человек, едущий на работу в трамвае, по сравнению с идущим тем же путем пешеходом не только экономит время за счет скорости, но и идет оно для него медленнее.

Впрочем, не пытайтесь сохранить этим способом вечную молодость: если даже вы станете вагоновожатым и треть жизни проведете в трамвае, за 30 лет вы выгадаете едва ли больше миллионой доли секунды. Чтобы выигрыш времени стал заметным, надо двигаться со скоростью, близкой к скорости света.

Оказывается, повышение скорости тел отражается и на их массе. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше его масса. При скорости тела, равной скорости света, масса его равна бесконечности, т. е. она больше массы Земли, Солнца, Галактики, всей нашей Вселенной… Вот какую массу можно сосредоточить в простом булыжнике, разогнав его до скорости
света!

Это и накладывает ограничение, не дающее возможности ни одному материальному телу развить скорость, равную скорости света. Ведь по мере того как растёт масса, все труднее и труднее разгонять ее. А бесконечную массу не сдвинет с места никакая сила.

Впрочем, природа сделала очень важное исключение из этого закона для целого класса частиц. Например, для фотонов. Они могут двигаться со скоростью света. Точнее, они не могут двигаться ни с какой иной скоростью. Немыслимо представить себе неподвижный фотон.

В неподвижном состоянии он не имеет массы. Также не имеют массы покоя нейтрино, и они тоже осуждены на вечный безудержный полет сквозь пространство с предельно возможной в нашей Вселенной скоростью, не обгоняя свет и не отставая от него.

Не правда ли, каждое из перечисленных нами следствий специальной теории относительности удивительно, парадоксально! И каждое, конечно же, противоречит «здравому смыслу»!

Но вот что интересно: не в конкретной своей форме, а как широкое философское положение все эти удивительные следствия были предсказаны еще основоположниками диалектического материализма. О чем говорят эти следствия? О связях, которые соединяют взаимо зависимостями энергию и массу, массу и скорость, скорость и время, скорость и длину движущегося предмета…

Открытие Эйнштейном взаимозависимости, подобно цементу, (подробнее: ), соединяющему воедино арматуру, или камни фундамента, соединило воедино казавшиеся до этого независимыми друг от друга вещи и явления и создало ту основу, на которой впервые в истории науки представилось возможным выстроить стройное здание. Это здание - представление о том, как устроена наша Вселенная.

Но прежде хотя бы несколько слов об общей теории относительности, также созданной Альбертом Эйнштейном.

Альберт Эйнштейн

Это название - общая теория относительности - не вполне соответствует содержанию теории, о которой пойдет речь. Она устанавливает взаимозависимость между пространством и материей. По-видимому, более правильно было бы назвать ее теорией пространства - времени , или теорией гравитации .

Но это название так срослось с теорией Эйнштейна, что даже ставить сейчас вопрос о его замене многим ученым представляется неприличным.

Общая теория относительности установила взаимозависимость между материей и временем, и пространством, содержащими ее. Оказалось, что пространство и время не только невозможно представить существующими отдельно от материи, но и свойства их зависят от наполняющей их материи.

Отправной пункт рассуждений

Поэтому можно указать лишь отправной пункт рассуждений и привести некоторые важные выводы.

В начале космического путешествия неожиданная катастрофа разрушила библиотеку, фильмофонд и другие хранилища разума, памяти летящих сквозь пространства людей. И забыта в смене веков природа родной планеты. Забыт даже закон всемирного тяготения, ибо ракета летит в межгалактическом пространстве, где оно почти не ощущается.

Однако великолепно работают двигатели корабля, практически неограничен запас энергии в аккумуляторах. Большую Часть времени корабль движется по инерции, и жители его привыкли к невесомости. Но иногда включают двигатели и замедляют или ускоряют движение корабля. Когда реактивные сопла полыхают в пустоту бесцветным пламенем и корабль Движется ускоренно, жители ощущают, что тела их становятся весомыми, они вынуждены ходить по кораблю, а не перелетать по коридорам.

И вот близок к завершению полет. Корабль подлетает к одной из звезд и ложится на орбиты наиболее подходящей планеты. Звездолетчики выходят наружу, идут по покрытой свежей зеленью почве, непрерывно испытывая то же самое ощущение тяжести, знакомое по тому времени, когда корабль двигался ускоренно.

Но ведь планета движется равномерно. Не может же она лететь им навстречу с постоянным ускорением з 9,8 м/сек2! И у них возникает первое предположение, что гравитационное поле (сила притяжения) и ускорение дают один и тот же эффект, а может быть, имеют и общую природу.

Никто из наших современников-землян не был в таком длительном полете, но явление «утяжеления» и «облегчения» своего тела ощущали многие. Уже обыкновенный лифт, когда он движется ускоренно, создает это ощущение. При спуске вы чувствуете внезапную потерю веса, при подъеме, наоборот, пол с большей, чем обычно, силой давит вам на ноги.

Но одно ощущение еще ничего не доказывает. Ведь ощущения пытаются убедить нас в том, что Солнце движется по небу вокруг неподвижной Земли, что все звезды и планеты находятся от нас на одинаковом расстоянии, на небесном своде и т. д.

Ученые подвергли ощущения опытной проверке. Еще Ньютон задумался над странной тождественностью двух явлений. Он попытался дать им численные характеристики. Измерив гравитационную и , он убедился, что величины их всегда строго равны друг другу.

Из каких только материалов ни делал он маятники опытной установки: из серебра, свинца, стекла, соли, дерева, воды, золота, песка, пшеницы. Результат был один и тот же.

Принцип эквивалентности , о котором мы говорим, и лежит в основе общей теории относительности, хотя современная интерпретация теории уже в этом принципе и не нуждается. Опуская математические выводы, вытекающие из этого принципа, перейдем прямо к некоторым следствиям общей теории относительности.

Наличие больших масс материи сильно влияет на окружающее пространство. Оно приводит к таким изменениям в нем, которые можно определить как неоднородности пространства. Эти неоднородности направляют движение каких бы то ни было масс, которые оказываются вблизи притягивающего тела.

Обычно прибегают к такой аналогии. Представьте себе туго натянутый на раму параллельно земной поверхности холст. Положите на него тяжелую гирю. Это будет наша большая притягивающая масса. Она, конечно, прогнет холст и окажется в некотором углублении. Теперь катните по этому холсту шарик таким образом, чтобы часть его пути пролегла рядом с притягивающей массой. В зависимости от того, как будет пущен шарик, возможны три варианта.

1. Шарик пролетит достаточно далеко от созданного прогибом полотна углубления и не изменит своего движения.
2. Шарик заденет углубление, и линии его движения изогнутся в сторону притягивающей массы.
3. Шарик попадет в эту лунку, не сможет из нее выбраться и совершит один-два оборота вокруг тяготеющей массы.

Не правда ли, третий вариант очень красиво моделирует захват звездой или планетой неосторожно залетевшего в поле их притяжения постороннего тела?

А второй случай - изгиб траектории тела, летящего со скоростью, большей, чем возможная скорость захвата! Первый же случай аналогичен пролету вне практической досягаемости поля тяготения. Да, именно практической, ибо теоретически поле тяготения безгранично.

Конечно, это очень отдаленная аналогия, в первую очередь потому, что никто не может себе реально представить прогиба нашего трехмерного пространства. В чем физический смысл этого прогиба, или кривизны, как чаще говорят, никто не знает.

Из общей теории относительности следует, что любое материальное тело может двигаться в поле тяготения только по кривым линиям. Лишь в частных, особых случаях кривая превращается в прямую.

Этому правилу подчиняется и луч света. Ведь он состоит из фотонов, имеющих в полете определенную массу. И на нее оказывает свое действие поле тяготения, как и на молекулу, астероид или планету.

Другой важный вывод состоит в том, что поле тяготения изменяет и ход времени. Вблизи большой притягивающей массы, в сильном создаваемом ею гравитационном поле, ход времени должен быть более медленным, чем вдали от нее.

Видите, и общая теория относительности чревата парадоксальными выводами, способными еще и еще раз перевернуть наши представления «здравого смысла»!

Гравитационный коллапс

Расскажем об удивительном явлении, имеющем космический характер,- о гравитационном коллапсе (катастрофическом сжатии). Явление это происходит в гигантских скоплениях материи, где силы тяготения достигают столь огромных величин, что никакие другие существующие в природе силы не могут оказать им сопротивления.

Вспомните знаменитую формулу Ньютона: силы тяготения тем больше, чем меньше квадрат расстояния между тяготеющими телами. Таким образом, чем плотнее становится материальное образование, чем меньше его размер, тем стремительнее возрастают силы тяготения, тем неотвратимее их губящее объятие.

Есть хитрый прием, с помощью которого природа борется с, казалось бы, беспредельным сжатием материи. Для этого она останавливает в сфере действия сверхгигантских сил тяготения самый ход времени, и скованные массы вещества как бы выключаются из нашей Вселенной, застывают в странном летаргическом сне.

Первую из таких «черных дыр» космоса, вероятно, уже удалось обнаружить. По предположению советских ученых О. X. Гусейнова и А. Ш. Новрузовой, ею является дельта Близнецов - двойная звезда с одной невидимой компонентой.

Видимая компонента имеет массу 1,8 солнечной, а ее невидимая «напарница» должна быть по расчетам в четыре раза массивнее видимой. Но никаких следов ее нет: увидеть удивительнейшее создание природы, «черную дыру», невозможно.

Советский ученый профессор К. П. Станюкович, как принято говорить, «на кончике пера», путем чисто теоретических построений показал, что частицы «застывшей материи» могут быть весьма разнообразны по величине.

• Возможны ее гигантские образования, подобные квазарам, непрерывно излучающим столько же энергии, сколько ее излучают все 100 миллиардов звезд нашей Галактики.
• Возможны значительно более скромные сгустки, равные всего нескольким солнечным массам. И те и другие объекты могут возникать сами из обыкновенной, не «спящей» материи.
• И возможны образования совсем другого класса, соизмеримые по массе с элементарными частицами.

Чтобы они возникли, надо составляющую их материю сначала подвергнуть гигантскому давлению и вогнать ее в пределы сферы Шварцшильда - сферы, где время для внешнего наблюдателя останавливается совершенно. И если после этого давление даже будет снято, частицы, для которых время остановилось, останутся существовать независимо от нашей Вселенной.

Планкеоны

Планкеоны - совершенно особый класс частиц. Они обладают, по мнению К. П. Станюковича, крайне интересным свойством: несут в себе материю в неизменном виде, такой, какой она была миллионы и миллиарды лет назад. Взглянув внутрь планкеона, мы смогли бы увидеть материю такой, какой она была в момент рождения нашей Вселенной. По теоретическим расчетам, во Вселенной имеется около 10 80 планкеонов, примерно один планкеон в кубике пространства со стороной 10 сантиметров. Кстати, одновременно со Станюковичем и (независимо от него гипотеза о планкеонах была выдвинута академиком М. А. Марковым. Только Марков дал им другое название - максимоны.

Особыми свойствами планкеонов можно попытаться объяснить и парадоксальные подчас превращения элементарных частиц. Известно, что при столкновении двух частиц никогда не образуется осколков, а возникают другие элементарные частицы. Это поистине удивительно: в обычном мире, разбив вазу, мы никогда не получим целых чашек или хотя бы розеток. Но предположим, что в недрах каждой элементарной частицы скрыт планкеон, один или несколько, а иногда и много планкеонов.

В момент столкновения частиц туго завязанный «мешок» планкеона приоткрывается, какие-то частицы будут «провалиться» в него, а взамен «выскочат» те, которые мы считаем возникшими при столкновении. При этом планкеон, как рачительный бухгалтер, обеспечит все «законы сохранения», принятые в мире элементарных частиц.
Ну а при чем здесь механизм всемирного тяготения?

«Ответственными» за тяготение, по гипотезе К. П. Станюковича, являются крохотные частицы, так называемые гравитоны, непрерывно излучаемые элементарными частицами. Гравитоны на столько же меньше последних, на сколько пылинка, пляшущая в солнечном луче, меньше земного шара.

Излучение гравитонов подчиняется ряду закономерностей. В частности, они легче вылетают в ту область пространства. Которая содержит меньше гравитонов. Значит, если в пространстве находятся два небесных тела, оба будут излучать гравитоны преимущественно «наружу», в направлениях, противоположных относительно друг друга. Тем самым создается импульс, заставляющий тела сближаться, притягиваться друг к другу.

Гравитационные силы описываются наиболее простыми количественными закономерностями. Но несмотря на эту простоту проявления сил тяготения могут быть весьма сложны и многообразны.

Гравитационные взаимодействия описываются законом всемирного тяготения, открытым Ньютоном:

Материальные точки притягиваются с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Гравитационная постоянная. Коэффициент пропорциональности называется гравитациоутой постоянной. Эта величина характеризует интенсивность гравитационного взаимодействия и является одной из основных физических констант. Ее числовое значение зависит от выбора системы единиц и в единицах СИ равно Из формулы видно, что гравитационная постоянная численно равна силе притяжения двух точеных масс по 1 кг, расположенных на расстоянии друг от друга. Значение гравитационной постоянной столь мало, что мы не замечаем притяжения между окружающими нас телами. Только из-за огромной массы Земли притяжение окружающих тел к Земле решающим образом влияет на все, что происходит вокруг нас.

Рис. 91. Гравитационное взаимодействие

Формула (1) дает только модуль силы взаимного притяжения точечных тел. На самом деле речь в ней идет о двух силах, поскольку сила тяготения действует на каждое из взаимодействующих тел. Эти силы равны по модулю и противоположны по направлению в соответствии с третьим законом Ньютона. Они направлены вдоль прямой, соединяющей материальные точки. Такие силы называются центральными. Векторное выражение, например для силы с которой тело массы действует на тело массы (рис. 91), имеет вид

Хотя радиусы-векторы материальных точек зависят от выбора начала координат, их разность, а значит, и сила зависят только от взаимного расположения притягивающихся тел.

Законы Кеплера. К известной легенде о падающем яблоке, которое якобы навело Ньютона на мысль о тяготении, вряд ли следует относиться серьезно. При установлении закона всемирного тяготения Ньютон исходил из открытых Иоганном Кеплером на основании астрономических наблюдений Тихо Браге законов движения планет Солнечной системы. Три закона Кеплера гласят:

1. Траектории, по которым движутся планеты, представляют собой эллипсы, в одном из фокусов которых находится Солнце.

2. Радиус-вектор планеты, проведенный из Солнца, ометает за равные промежутки времени одинаковые площади.

3. Для всех планет отношение квадрата периода обращения к кубу большой полуоси эллиптической орбиты имеет одно и то же значение.

Орбиты большинства планет мало отличаются от круговых. Для простоты будем считать их точно круговыми. Это не противоречит первому закону Кеплера, так как окружность представляет собой частный случай эллипса, у которого оба фокуса совпадают. Согласно второму закону Кеплера движение планеты по круговой траектории происходит равномерно, т. е. с постоянной по модулю скоростью. При этом третий закон Кеплера говорит о том, что отношение квадрата периода обращения Т к кубу радиуса круговой орбиты одинаково для всех планет:

Движущаяся по окружности с постоянной скоростью планета обладает центростремительным ускорением, равным Воспользуемся этим, чтобы определить силу, которая сообщает планете такое ускорение при выполнении условия (3). Согласно второму закону Ньютона ускорение планеты равно отношению действующей на нее силы к массе планеты:

Отсюда, учитывая третий закон Кеплера (3), легко установить, как сила зависит от массы планеты и от радиуса ее круговой орбиты. Умножая обе части (4) на видим, что в левой части согласно (3) стоит одинаковая для всех планет величина. Значит, и правая часть, равная одинакова для всех планет. Поэтому т. е. сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния от Солнца и прямо пропорциональна массе планеты. Но Солнце и планета выступают в их гравитационном

взаимодействии как равноправные партнеры. Они отличаются друг от друга только массами. И поскольку сила притяжения пропорциональна массе планеты то она должна быть пропорциональна и массе Солнца М:

Вводя в эту формулу коэффициент пропорциональности G, который уже не должен зависеть ни от масс взаимодействующих тел, ни от расстояния между ними, приходим к закону всемирного тяготения (1).

Гравитационное поле. Гравитационное взаимодействие тел можно описывать, используя понятие гравитационного поля. Ньютоновская формулировка закона всемирного тяготения соответствует представлению о непосредственном действии тел друг на друга на расстоянии, так называемом дальнодействии, без какого-либо участия промежуточной среды. В современной физике считается, что передача любых взаимодействий между телами осуществляется посредством создаваемых этими телами полей. Одно из тел непосредственно не действует на другое, оно наделяет окружающее его пространство определенными свойствами - создает гравитационное поле, особую материальную среду, которая и воздействует на другое тело.

Представление о физическом гравитационном поле выполняет как эстетические, так и вполне практические функции. Силы тяготения действуют на расстоянии, они тянут там, где, мы едва ли можем увидеть, что именно тянет. Силовое поле представляет собой некоторую абстракцию, заменяющую нам крюки, веревочки или резинки. Никакой наглядной картины поля дать невозможно, поскольку само понятие физического поля относится к числу основных понятий, которые невозможно определить через другие, более простые понятия. Можно только описать его свойства.

Рассматривая способность гравитационного поля создавать силу, мы считаем, что поле зависит только от того тела, со стороны которого действует сила, и не зависит от того тела, на которое она действует.

Отметим, что в рамках классической механики (механики Ньютона) оба представления - о дальнодействии и взаимодействии через гравитационное поле - приводят к одинаковым результатам и в равной мере допустимы. Выбор одного из этих способов описания определяется исключительно соображениями удобства.

Напряженность поля тяготения. Силовой характеристикой гравитационного поля является его напряженность измеряемая силой, действующей на материальную точку единичной массы, т. е. отношением

Очевидно, что гравитационное поле, создаваемое точечной массой М, обладает сферической симметрией. Это значит, что вектор напряженности в любой его точке направлен к массе М, создающей поле. Модуль напряженности поля как следует из закона всемирного тяготения (1), равен

и зависит только от расстояния до источника поля. Напряженность поля точечной массы убывает с расстоянием по закону обратных квадратов. В таких полях движение тел происходит в соответствии с законами Кеплера.

Принцип суперпозиции. Опыт показывает, что гравитационные поля удовлетворяют принципу суперпозиции. Согласно этому принципу гравитационное поле, создаваемое какой-либо массой, не зависит от наличия других масс. Напряженность поля, создаваемого несколькими телами, равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых этими телами в отдельности.

Принцип суперпозиции позволяет рассчитывать гравитационные поля, создаваемые протяженными телами. Для этого нужно мысленно разбить тело на отдельные элементы, которые можно считать материальными точками, и найти векторную сумму напряженностей полей, создаваемых этими элементами. Пользуясь принципом суперпозиции, можно показать, что гравитационное поле, создаваемое шаром со сферически-симметричным распределением массы (в частности, и однородным шаром), вне этого шара неотличимо от гравитационного поля материальной точки такой же массы, как и шар, помещенной в центр шара. Это значит, что напряженность гравитационного поля шара дается той же формулой (6). Этот простой результат приводится здесь без доказательства. Оно будет дано для случая электростатического взаимодействия при рассмотрении поля заряженного шара, где сила также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Притяжение сферических тел. Используя этот результат и привлекая третий закон Ньютона, можно показать, что два шара со сферически-симметричным распределением масс у каждого притягиваются друг к другу так, как если бы их массы были сосредоточены в их центрах, т. е. просто как точечные массы. Приведем соответствующее доказательство.

Пусть два шара массами притягивают друг друга с силами (рис. 92а). Если заменить первый шар точечной массой (рис. 92б), то создаваемое им гравитационное поле в месте расположения второго шара не изменится и, следовательно, не изменится сила действующая на второй шар. На основании третьего

закона Ньютона отсюда можно сделать вывод, что второй шар действует с одной и той же силой как на первый шар, так и на заменяющую его материальную точку Эту силу легко найти, учитывая, что создаваемое вторым шаром гравитационное поле в том месте, где находится первый шар, неотличимо от поля точечной массы помещенной в его центр (рис. 92в).

Рис. 92. Сферические тела притягиваются друг к другу так, как если бы их массы были сосредоточены в их центрах

Таким образом, сила притяжения шаров совпадает с силой притяжения двух точечных масс ту и расстояние между которыми равно расстоянию между центрами шаров.

Из этого примера наглядно видна практическая ценность концепции гравитационного поля. В самом деле, было бы очень неудобно описывать силу, действующую на один из шаров, как векторную сумму сил, действующих на отдельные его элементы, учитывая при этом, что каждая из этих сил, в свою очередь, представляет собой векторную сумму сил взаимодействия этого элемента со всеми элементами, на которые мы должны мысленно разбить и второй шар. Обратим внимание еще и на то, что в процессе приведенного доказательства мы поочередно рассматривали в качестве источника гравитационного поля то один шар, то другой, в зависимости от того, интересовала ли нас сила, действующая на тот или на другой шар.

Теперь очевидно, что на любое находящееся вблизи поверхности Земли тело массы линейные размеры которого малы по сравнению с радиусом Земли, действует сила тяжести которая в соответствии с (5) может быть записана как Значение модуля напряженности гравитационного поля Земли дается выражением (6), в котором под М следует понимать массу земного шара, а вместо следует подставить радиус Земли

Для применимости формулы (7) необязательно Землю считать однородным шаром, достаточно, чтобы распределение масс было сферически-симметричным.

Свободное падение. Если тело вблизи поверхности Земли движется только под действием силы тяжести т. е. свободно падает, то его ускорение согласно второму закону Ньютона равно Видно, что оно направлено к центру Земли и в соответствии с (7) по модулю равно

Но правая часть (8) дает значение напряженности гравитационного поля Земли вблизи ее поверхности. Итак, напряженность гравитационного поля и ускорение свободного падения в этом поле - это одно и то же. Именно поэтому мы сразу обозначили эти величины одной буквой

Взвешивание Земли. Остановимся теперь на вопросе об экспериментальном определении значения гравитационной постоянной Прежде всего отметим, что его нельзя найти из астрономических наблюдений. Действительно, из наблюдений за движением планет можно найти только произведение гравитационной постоянной на массу Солнца. Из наблюдений за движением Луны, искусственных спутников Земли или за свободным падением тел вблизи земной поверхности можно найти только произведение гравитационной постоянной на массу Земли. Для определения необходимо иметь возможность независимо измерить массу источника гравитационного поля. Это можно сделать только в опыте, производимом в лабораторных условиях.

Рис. 93. Схема опыта Кавендиша

Такой опыт был впервые выполнен Генри Кавендишем в с помощью крутильных весов, к концам коромысла которых были прикреплены небольшие свинцовые шары (рис. 93). Вблизи от них закреплялись большие тяжелые шары. Под действием сил притяжения малых шаров к большим коромысло крутильных весов немного поворачивалось, и по закручиванию упругой нити подвеса измерялась сила. Для интерпретации этого опыта важно знать, что шары взаимодействуют так же, как и соответствующие материальные точки такой же массы, ибо здесь в отличие от планет размеры шаров Нельзя считать малыми по сравнению с расстоянием между ними.

В своих опытах Кавендиш получил значение гравитационной постоянной всего на отличающееся от принятого в настоящее время. В современных модификациях опыта Кавендиша производится измерение ускорений, сообщаемых малым шарам на коромысле гравитационным полем тяжелых шаров, что позволяет повысить точность измерений. Знание гравитационной постоянной позволяет определить массы Земли, Солнца и других источников тяготения по наблюдениям за движением тел в создаваемых ими гравитационных полях. В этом смысле опыт Кавендиша иногда образно называют взвешиванием Земли.

Всемирное тяготение описывается очень простым законом, который, как мы видели, легко устанавливается на основе законов Кеплера. В чем же величие открытия Ньютона? В нем нашла воплощение идея о том, что падение яблока на Землю и движение Луны вокруг Земли, которое тоже в известном смысле представляет собой падение на Землю, имеют общую причину. В те далекие времена это была удивительная мысль, поскольку общая мудрость гласила, что небесные тела движутся по своим «совершенным» законам, а земные объекты подчиняются «мирским» правилам. Ньютон пришел к мысли о том, что единые законы природы справедливы для всей Вселенной.

Введите такую единицу силы, чтобы в законе всемирного тяготения (1) значение гравитационной постоянной С равнялось единице. Сравните эту единицу силы с ньютоном.

Существуют ли отклонения от законов Кеплера для планет Солнечной системы? Чем они обусловлены?

Как из законов Кеплера установить зависимость силы тяготения от расстояния?

Почему гравитационную постоянную нельзя определить на основе астрономических наблюдений?

Что такое гравитационное поле? Какие преимущества дает описание гравитационного взаимодействия с помощью понятия поля по сравнению с представлением о дальнодействии?

В чем заключается принцип суперпозиции для гравитационного поля? Что можно сказать о гравитационном поле однородного шара?

Как связаны между собой напряженность гравитационного поля и ускорение свободного падения?

Рассчитайте массу Земли М, используя значения гравитационной постоянной радиуса Земли км и ускорения свободного падения

Геометрия и тяготение. С простой формулой закона всемирного тяготения (1) связано несколько тонких моментов, заслуживающих отдельного обсуждения. Из законов Кеплера следует,

что расстояние в знаменатель выражения для силы тяготения входит во второй степени. Вся совокупность астрономических наблюдений приводит к выводу, что значение показателя степени равно двум с очень высокой точностью, а именно Этот факт в высшей степени замечателен: точное равенство показателя степени двум отражает евклидову природу трехмерного физического пространства. Это значит, что положение тел и расстояние между ними в пространстве, сложение перемещений тел и т. д. описывается геометрией Евклида. Точное равенство двум показателя степени подчеркивает то обстоятельство, что в трехмерном евклидовом мире поверхность сферы точно пропорциональна квадрату ее радиуса.

Инертная и гравитационная массы. Из приведенного вывода закона тяготения следует также, что сила гравитационного взаимодействия тел пропорциональна их массам, а точнее - инертным массам, фигурирующим во втором законе Ньютона и описывающим инертные свойства тел. Но инертность и способность к гравитационным взаимодействиям представляют собой совершенно разные свойства материи.

В определении массы на основе инертных свойств используется закон . Измерения массы в соответствии с этим ее определением требуют проведения динамического эксперимента - прикладывается известная сила и измеряется ускорение. Именно так с помощью масс-спектрометров определяются массы заряженных элементарных частиц и ионов (а тем самым и атомов).

В определении массы на основе явления тяготения используется закон Измерение массы в соответствии с таким определением производится с помощью статического эксперимента - взвешиванием. Тела располагают неподвижно в гравитационном поле (обычно это поле Земли) и сравнивают действующие на них силы тяготения. Определенная таким образом масса называется тяжелой или гравитационной.

Будут ли значения инертной и гравитационной масс одинаковыми? Ведь количественные меры этих свойств в принципе могли бы быть различными. Впервые ответ на этот вопрос был дан Галилеем, хотя он, по-видимому, и не подозревал об этом. В своих опытах он намеревался доказать, что неверны господствовавшие тогда утверждения Аристотеля о том, что тяжелые тела падают быстрее легких.

Чтобы лучше проследить за рассуждениями, обозначим инертную массу через а гравитационную - через На поверхности Земли сила тяжести тогда запишется как

где - напряженность гравитационного поля Земли, одинаковая для всех тел. Теперь сравним, что произойдет, если два тела одновременно сбросить с одной высоты. В соответствии со вторым законом Ньютона для каждого из тел можно написать

Но опыт показывает, что ускорения обоих тел одинаковы. Следовательно, одним и тем же будет для них и отношение Итак, для всех тел

Гравитационные массы тел пропорциональны их инертным массам. Надлежащим выбором единиц их можно сделать просто равными.

Совпадение значений инертной и гравитационной масс подтверждалось много раз со все возрастающей точностью в разнообразных опытах ученых разных эпох - Ньютона, Бесселя, Этвеша, Дикке и, наконец, Брагинского и Панова, которые довели относительную погрешность измерений до . Чтобы лучше представить себе чувствительность приборов в таких опытах, отметим, что это эквивалентно возможности обнаружить изменение массы теплохода водоизмещением в тысячу тонн при добавлении к нему одного миллиграмма.

В ньютоновской механике совпадение значений инертной и гравитационной масс не имеет под собой физической причины и в этом смысле является случайным. Это просто экспериментальный факт, установленный с очень высокой точностью. Если бы это было не так, ньютоновская механика ничуть не пострадала бы. В созданной Эйнштейном релятивистской теории тяготения, называемой также общей теорией относительности, равенство инертной и гравитационной масс имеет принципиальное значение и изначально заложено в основу теории. Эйнштейн предположил, что в этом совпадении нет ничего удивительного или случайного, ибо в действительности инертная и гравитационная массы представляют собой одну и ту же физическую величину.

Почему значение показателя степени, в которой расстояние между телами входит в закон всемирного тяготения, связано с евклидовостью трехмерного физического пространства?

Как определяются инертная и гравитационная массы в механике Ньютона? Почему в некоторых книгах даже не упоминается об этих величинах, а фигурирует просто масса тела?

Предположим, что в некотором мире гравитационная масса тел никак не связана с их инертной массой. Что можно было бы наблюдать при одновременном свободном падении разных тел?

Какие явления и опыты свидетельствуют о пропорциональности инертной и гравитационной масс?

Закон всемирного тяготения открыл Ньютон в 1687 году при изучении движения спутника Луны вокруг Земли. Английский физик четко сформулировал постулат, характеризующий силы притяжения. Кроме того, анализируя законы Кеплера, Ньютон вычислил, что силы притяжения должны существовать не только на нашей планете, но и в космосе.

История вопроса

Закон всемирного тяготения родился не спонтанно. Издревле люди изучали небосвод, главным образом для составления сельскохозяйственных календарей, вычисления важных дат, религиозных праздников. Наблюдения указывали, что в центре «мира» находится Светило (Солнце), вокруг которого по орбитам вращаются небесные тела. Впоследствии догматы церкви не позволяли так считать, и люди утратили накапливавшиеся тысячелетиями знания.

В 16 веке, до изобретения телескопов, появилась плеяда астрономов, взглянувших на небосвод по-научному, отбросив запреты церкви. Т. Браге, многие годы наблюдая за космосом, с особой тщательностью систематизировал перемещения планет. Эти высокоточные данные помогли И. Кеплеру впоследствии открыть три своих закона.

К моменту открытия (1667 г.) Исааком Ньютоном закона тяготения в астрономии окончательно утвердилась гелиоцентрическая система мира Н. Коперника. Согласно ей, каждая из планет системы вращается вокруг Светила по орбитам, которые с приближением, достаточным для многих расчетов, можно считать круговыми. В начале XVII в. И. Кеплер, анализируя работы Т. Браге, установил кинематические законы, характеризующие движения планет. Открытие стало фундаментом для выяснения динамики движения планет, то есть сил, которые определяют именно такой вид их движения.

Описание взаимодействия

В отличие от короткопериодных слабых и сильных взаимодействий, гравитация и электромагнитные поля имеют свойства дальнего действия: их влияние проявляется на гигантских расстояниях. На механические явления в макромире воздействуют 2 силы: электромагнитная и гравитационная. Воздействие планет на спутники, полет брошенного или запущенного предмета, плавание тела в жидкости - в каждом из этих явлений действуют гравитационные силы. Эти объекты притягиваются планетой, тяготеют к ней, отсюда и название «закон всемирного тяготения».

Доказано, что между физическими телами безусловно действует сила взаимного притяжения. Такие явления, как падение объектов на Землю, вращение Луны, планет вокруг Солнца, происходящие под действием сил всемирного притяжения, называют гравитационными.

Закон всемирного тяготения: формула

Всемирное тяготение формулируется следующим образом: два любых материальных объекта друг к другу притягиваются с определенной силой. Величина этой силы прямо пропорциональна произведению масс этих объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

В формуле m1 и m2 являются массами исследуемых материальных объектов; r - расстояние, определяемое между центрами масс расчетных объектов; G - постоянная гравитационная величина, выражающая силу, с которой осуществляется взаимное притяжение двух объектов массой по 1 кг каждый, располагающихся между собой на расстоянии 1 м.

От чего зависит сила притяжения

Закон всемирного тяготения по-разному действует, в зависимости от региона. Так как сила притяжения зависит от значений широты на определенной местности, то аналогично ускорение свободного падения обладает разными значениями в разных местах. Максимальное значение сила тяжести и, соответственно, ускорение свободного падения имеют на полюсах Земли - сила тяжести в этих точках равна силе притяжения. Минимальными значения будут на экваторе.

Земной шар слегка сплюснут, его полярный радиус меньше экваториального примерно на 21,5 км. Однако эта зависимость менее существенная по сравнению с суточным вращением Земли. Расчеты показывают, что из-за сплюснутости Земли на экваторе величина ускорения свободного падения чуть меньше его значения на полюсе на 0,18%, а через суточное вращение - на 0,34%.

Впрочем, в одном и том же месте Земли угол между векторами направления мал, поэтому расхождение между силой притяжения и силой тяжести незначительно, и ею в расчетах можно пренебречь. То есть можно считать, что модули этих сил одинаковы - ускорение свободного падения около поверхности Земли везде одинаковое и равно приблизительно 9,8 м/с².

Вывод

Исаак Ньютон был ученым, который совершил научную революцию, полностью перестроил принципы динамики и на их основе создал научную картину мира. Его открытие повлияло на развитие науки, на создание материальной и духовной культуры. На судьбу Ньютона выпала задача пересмотреть результаты представления о мире. В XVII в. ученым завершена грандиозная работа построения фундамента новой науки - физики.

Самым главным явлением, постоянно изучаемым физиками, является движение. Электромагнитные явления, законы механики, термодинамические и квантовые процессы – все это широкий спектр изучаемых физикой фрагментов мироздания. И все эти процессы сводятся, так или иначе, к одному – к .

Вконтакте

Все во Вселенной движется. Гравитация – привычное явление для всех людей с самого детства, мы родились в гравитационном поле нашей планеты, это физическое явление воспринимается нами на самом глубоком интуитивном уровне и, казалось бы, даже не требует изучения.

Но, увы, вопрос, почему и каким образом все тела притягиваются друг к другу , остается и на сегодняшний день не до конца раскрытым, хотя и изучен вдоль и поперек.

В этой статье мы рассмотрим, что такое всемирное притяжение по Ньютону – классическую теорию гравитации. Однако прежде чем перейти к формулам и примерам, расскажем о сути проблемы притяжения и дадим ему определение.

Быть может, изучение гравитации стало началом натуральной философии (науки о понимании сути вещей), быть может, натуральная философия породила вопрос о сущности гравитации, но, так или иначе, вопросом тяготения тел заинтересовались еще в Древней Греции .

Движение понималось как суть чувственной характеристики тела, а точнее, тело двигалось, пока наблюдатель это видит. Если мы не можем явление измерить, взвесить, ощутить, значит ли это, что этого явления не существует? Естественно, не значит. И с тех пор, как Аристотель понял это, начались размышления о сути гравитации.

Как оказалось в наши дни, спустя многие десятки веков, гравитация является основой не только земного притяжения и притяжения нашей планеты к , но и основой зарождения Вселенной и почти всех имеющихся элементарных частиц.

Задача движения

Проведем мысленный эксперимент. Возьмем в левую руку небольшой шарик. В правую возьмем такой же. Отпустим правый шарик, и он начнет падать вниз. Левый при этом остается в руке, он по-прежнему недвижим.

Остановим мысленно ход времени. Падающий правый шарик «зависает» в воздухе, левый все также остается в руке. Правый шарик наделен «энергией» движения, левый – нет. Но в чем глубокая, осмысленная разница между ними?

Где, в какой части падающего шарика прописано, что он должен двигаться? У него такая же масса, такой же объем. Он обладает такими же атомами, и они ничем не отличаются от атомов покоящегося шарика. Шарик обладает ? Да, это правильный ответ, но откуда шарику известно, что обладает потенциальной энергией, где это зафиксировано в нем?

Именно эту задачу ставили перед собой Аристотель, Ньютон и Альберт Эйнштейн. И все три гениальных мыслителя отчасти решили для себя эту проблему, но на сегодняшний день существует ряд вопросов, требующих разрешения.

Гравитация Ньютона

В 1666 году величайшим английским физиком и механиком И. Ньютоном открыт закон, способный количественно посчитать силу, благодаря которой вся материя во Вселенной стремится друг к другу. Это явление получило название всемирное тяготение. Когда вас просят: «Сформулируйте закон всемирного тяготения», ваш ответ должен звучать так:

Сила гравитационного взаимодействия, способствующая притяжению двух тел, находится в прямой пропорциональной связи с массами этих тел и в обратной пропорциональной связи с расстоянием между ними.

Важно! В законе притяжения Ньютона используется термин «расстояние». Под этим термином следует понимать не дистанцию между поверхностями тел, а расстояние между их центрами тяжести. К примеру, если два шара радиусами r1 и r2 лежат друг на друге, то дистанция между их поверхностями равна нулю, однако сила притяжения есть. Все дело в том, что расстояние между их центрами r1+r2 отлично от нуля. В космических масштабах это уточнение не суть важно, но для спутника на орбите данная дистанция равна высоте над поверхностью плюс радиус нашей планеты. Расстояние между Землей и Луной также измеряется как расстояние между их центрами, а не поверхностями.

Для закона тяготения формула выглядит следующим образом:

,

• F – сила притяжения,
• – массы,
• r – расстояние,
• G – гравитационная постоянная, равная 6,67·10−11 м³/(кг·с²).

Что же представляет собой вес, если только что мы рассмотрели силу притяжения?

Сила является векторной величиной, однако в законе всемирного тяготения она традиционно записана как скаляр. В векторной картине закон будет выглядеть таким образом:

.

Но это не означает, что сила обратно пропорциональна кубу дистанции между центрами. Отношение следует воспринимать как единичный вектор, направленный от одного центра к другому:

.

Закон гравитационного взаимодействия

Вес и гравитация

Рассмотрев закон гравитации, можно понять, что нет ничего удивительного в том, что лично мы ощущаем притяжение Солнца намного слабее, чем земное . Массивное Солнце хоть и имеет большую массу, однако оно очень далеко от нас. тоже далеко от Солнца, однако она притягивается к нему, так как обладает большой массой. Каким образом найти силу притяжения двух тел, а именно как вычислить силу тяготения Солнца, Земли и нас с вами – с этим вопросом мы разберемся чуть позже.

Насколько нам известно, сила тяжести равна:

где m – наша масса, а g – ускорение свободного падения Земли (9,81 м/с 2).

Важно! Не бывает двух, трех, десяти видов сил притяжения. Гравитация – единственная сила, дающая количественную характеристику притяжения. Вес (P = mg) и сила гравитации – одно и то же.

Если m – наша масса, M – масса земного шара, R – его радиус, то гравитационная сила, действующая на нас, равна:

Таким образом, поскольку F = mg:

.

Массы m сокращаются, и остается выражение для ускорения свободного падения:

Как видим, ускорение свободного падения – действительно постоянная величина, поскольку в ее формулу входят величины постоянные — радиус, масса Земли и гравитационная постоянная. Подставив значения этих констант, мы убедимся, что ускорение свободного падения равно 9,81 м/с 2 .

На разных широтах радиус планеты несколько отличается, поскольку Земля все-таки не идеальный шар. Из-за этого ускорение свободного падения в отдельных точках земного шара разное.

Вернемся к притяжению Земли и Солнца. Постараемся на примере доказать, что земной шар притягивает нас с вами сильнее, чем Солнце.

Примем для удобства массу человека: m = 100 кг. Тогда:

• Расстояние между человеком и земным шаром равно радиусу планеты: R = 6,4∙10 6 м.
• Масса Земли равна: M ≈ 6∙10 24 кг.
• Масса Солнца равна: Mc ≈ 2∙10 30 кг.
• Дистанция между нашей планетой и Солнцем (между Солнцем и человеком): r=15∙10 10 м.

Гравитационное притяжение между человеком и Землей:

Данный результат довольно очевиден из более простого выражения для веса (P = mg).

Сила гравитационного притяжения между человеком и Солнцем:

Как видим, наша планета притягивает нас почти в 2000 раз сильнее.

Как найти силу притяжения между Землей и Солнцем? Следующим образом:

Теперь мы видим, что Солнце притягивает нашу планету более чем в миллиард миллиардов раз сильнее, чем планета притягивает нас с вами.

Первая космическая скорость

После того как Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, ему стало интересно, с какой скоростью нужно бросить тело, чтобы оно, преодолев гравитационное поле, навсегда покинуло земной шар.

Правда, он представлял себе это несколько иначе, в его понимании была не вертикально стоящая ракета, устремленная в небо, а тело, которое горизонтально совершает прыжок с вершины горы. Это была логичная иллюстрация, поскольку на вершине горы сила притяжения немного меньше .

Так, на вершине Эвереста ускорение свободного падения будет равно не привычные 9,8 м/с 2 , а почти м/с 2 . Именно по этой причине там настолько разряженный , частицы воздуха уже не так привязаны к гравитации, как те, которые «упали» к поверхности.

Постараемся узнать, что такое космическая скорость.

Первая космическая скорость v1 – это такая скорость, при которой тело покинет поверхность Земли (или другой планеты) и перейдет на круговую орбиту.

Постараемся узнать численной значение этой величины для нашей планеты.

Запишем второй закон Ньютона для тела, которое вращается вокруг планеты по круговой орбите:

,

где h — высота тела над поверхностью, R — радиус Земли.

На орбите на тело действует центробежное ускорение , таким образом:

.

Массы сокращаются, получаем:

,

Данная скорость называется первой космической скоростью:

Как можно заметить, космическая скорость абсолютно не зависит от массы тела. Таким образом, любой предмет, разогнанный до скорости 7,9 км/с, покинет нашу планету и перейдет на ее орбиту.

Первая космическая скорость

Вторая космическая скорость

Однако, даже разогнав тело до первой космической скорости, нам не удастся полностью разорвать его гравитационную связь с Землей. Для этого и нужна вторая космическая скорость. При достижении этой скорости тело покидает гравитационное поле планеты и все возможные замкнутые орбиты.

Важно! По ошибке часто считается, что для того чтобы попасть на Луну, космонавтам приходилось достигать второй космической скорости, ведь нужно было сперва «разъединиться» с гравитационным полем планеты. Это не так: пара «Земля — Луна» находятся в гравитационном поле Земли. Их общий центр тяжести находится внутри земного шара.

Для того чтобы найти эту скорость, поставим задачу немного иначе. Допустим, тело летит из бесконечности на планету. Вопрос: какая скорость будет достигнута на поверхности при приземлении (без учета атмосферы, разумеется)? Именно такая скорость и потребуется телу, чтобы покинуть планету .

Вторая космическая скорость

Запишем закон сохранения энергии:

,

где в правой части равенства стоит работа силы тяжести: A = Fs.

Отсюда получаем, что вторая космическая скорость равна:

Таким образом, вторая космическая скорость в раз больше первой:

Закон всемирного тяготения. Физика 9 класс

Закон Всемирного тяготения.

Вывод

Мы с вами узнали, что хотя гравитация является основной силой во Вселенной, многие причины этого явления до сих пор остались загадкой. Мы узнали, что такое сила всемирного тяготения Ньютона, научились считать ее для различных тел, а также изучили некоторые полезные следствия, которые вытекают из такого явления, как всемирный закон тяготения.