Η βαρύτητα της γης. Τι είναι η βαρύτητα - ορισμός και ενδιαφέροντα γεγονότα
Η βαρύτητα, επίσης γνωστή ως έλξη ή βαρύτητα, είναι μια καθολική ιδιότητα της ύλης που διαθέτουν όλα τα αντικείμενα και τα σώματα στο Σύμπαν. Η ουσία της βαρύτητας είναι ότι όλα τα υλικά σώματα έλκουν όλα τα άλλα σώματα γύρω τους.
Η βαρύτητα της γης
Εάν η βαρύτητα είναι μια γενική έννοια και ποιότητα που διαθέτουν όλα τα αντικείμενα στο Σύμπαν, τότε η βαρύτητα είναι μια ειδική περίπτωση αυτού του περιεκτικού φαινομένου. Η γη προσελκύει προς τον εαυτό της όλα τα υλικά αντικείμενα που βρίσκονται πάνω της. Χάρη σε αυτό, οι άνθρωποι και τα ζώα μπορούν να μετακινηθούν με ασφάλεια στη γη, τα ποτάμια, οι θάλασσες και οι ωκεανοί μπορούν να παραμείνουν στις ακτές τους και ο αέρας δεν μπορεί να πετάξει στις τεράστιες εκτάσεις του διαστήματος, αλλά να σχηματίσει την ατμόσφαιρα του πλανήτη μας.
Τίθεται ένα δίκαιο ερώτημα: αν όλα τα αντικείμενα έχουν βαρύτητα, γιατί η Γη έλκει ανθρώπους και ζώα στον εαυτό της και όχι το αντίστροφο; Πρώτον, προσελκύουμε επίσης τη Γη σε εμάς, απλώς, σε σύγκριση με τη δύναμη έλξης της, η βαρύτητα μας είναι αμελητέα. Δεύτερον, η δύναμη της βαρύτητας εξαρτάται άμεσα από τη μάζα του σώματος: όσο μικρότερη είναι η μάζα του σώματος, τόσο μικρότερες είναι οι βαρυτικές του δυνάμεις.
Ο δεύτερος δείκτης από τον οποίο εξαρτάται η δύναμη έλξης είναι η απόσταση μεταξύ των αντικειμένων: όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση, τόσο μικρότερη είναι η επίδραση της βαρύτητας. Χάρη επίσης σε αυτό, οι πλανήτες κινούνται στις τροχιές τους και δεν πέφτουν ο ένας πάνω στον άλλο.
Είναι αξιοσημείωτο ότι η Γη, η Σελήνη, ο Ήλιος και άλλοι πλανήτες οφείλουν το σφαιρικό τους σχήμα ακριβώς στη δύναμη της βαρύτητας. Δρα προς την κατεύθυνση του κέντρου, τραβώντας προς το μέρος του την ουσία που συνθέτει το «σώμα» του πλανήτη.
Το βαρυτικό πεδίο της Γης
Το βαρυτικό πεδίο της Γης είναι ένα ενεργειακό πεδίο δύναμης που σχηματίζεται γύρω από τον πλανήτη μας λόγω της δράσης δύο δυνάμεων:
- βαρύτητα;
- φυγόκεντρη δύναμη, η οποία οφείλει την εμφάνισή της στην περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της (ημερήσια περιστροφή).
Δεδομένου ότι τόσο η βαρύτητα όσο και η φυγόκεντρος δύναμη δρουν συνεχώς, το βαρυτικό πεδίο είναι ένα σταθερό φαινόμενο.
Το πεδίο επηρεάζεται ελαφρώς από τις βαρυτικές δυνάμεις του Ήλιου, της Σελήνης και ορισμένων άλλων ουράνιων σωμάτων, καθώς και από τις ατμοσφαιρικές μάζες της Γης.
Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης και ο Sir Isaac Newton
Ο Άγγλος φυσικός, Sir Isaac Newton, σύμφωνα με έναν γνωστό μύθο, μια μέρα περπατώντας στον κήπο κατά τη διάρκεια της ημέρας, είδε τη Σελήνη στον ουρανό. Την ίδια στιγμή, ένα μήλο έπεσε από το κλαδί. Ο Νεύτωνας μελετούσε τότε το νόμο της κίνησης και γνώριζε ότι ένα μήλο πέφτει υπό την επίδραση ενός βαρυτικού πεδίου και η Σελήνη περιστρέφεται σε τροχιά γύρω από τη Γη.
Και τότε ο λαμπρός επιστήμονας, φωτισμένος από τη διορατικότητα, σκέφτηκε ότι ίσως το μήλο πέφτει στο έδαφος, υπακούοντας στην ίδια δύναμη χάρη στην οποία βρίσκεται η Σελήνη στην τροχιά της και δεν βιάζεται τυχαία σε όλο τον γαλαξία. Έτσι ανακαλύφθηκε ο νόμος της παγκόσμιας έλξης, γνωστός και ως Τρίτος Νόμος του Νεύτωνα.
Στη γλώσσα των μαθηματικών τύπων, αυτός ο νόμος μοιάζει με αυτό:
φά=GMm/D 2 ,
Οπου φά- η δύναμη της αμοιβαίας βαρύτητας μεταξύ δύο σωμάτων.
Μ- μάζα του πρώτου σώματος.
m- μάζα του δεύτερου σώματος.
Δ 2- την απόσταση μεταξύ δύο σωμάτων.
σολ- σταθερά βαρύτητας ίση με 6,67x10 -11.
Η βαρυτική δύναμη είναι το θεμέλιο πάνω στο οποίο στηρίζεται το Σύμπαν. Χάρη στη βαρύτητα, ο Ήλιος δεν εκρήγνυται, η ατμόσφαιρα δεν διαφεύγει στο διάστημα, οι άνθρωποι και τα ζώα κινούνται ελεύθερα στην επιφάνεια και τα φυτά καρποφορούν.
Ουράνια μηχανική και θεωρία της σχετικότητας
Ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας μελετάται στις τάξεις 8-9 του λυκείου. Οι επιμελείς μαθητές γνωρίζουν για το περίφημο μήλο που έπεσε στο κεφάλι του μεγάλου Ισαάκ Νεύτωνα και για τις ανακαλύψεις που ακολούθησαν. Στην πραγματικότητα, το να δώσουμε έναν σαφή ορισμό της βαρύτητας είναι πολύ πιο δύσκολο. Οι σύγχρονοι επιστήμονες συνεχίζουν τις συζητήσεις για το πώς αλληλεπιδρούν τα σώματα στο διάστημα και αν υπάρχει αντιβαρύτητα. Είναι εξαιρετικά δύσκολο να μελετηθεί αυτό το φαινόμενο σε γήινα εργαστήρια, επομένως διακρίνονται αρκετές βασικές θεωρίες βαρύτητας:
Νευτώνεια βαρύτητα
Το 1687, ο Νεύτων έθεσε τα θεμέλια της ουράνιας μηχανικής, η οποία μελετά την κίνηση των σωμάτων στον κενό χώρο. Υπολόγισε τη δύναμη της βαρύτητας της Σελήνης στη Γη. Σύμφωνα με τον τύπο, αυτή η δύναμη εξαρτάται άμεσα από τη μάζα τους και την απόσταση μεταξύ των αντικειμένων.
F = (G m1 m2)/r2
Σταθερά βαρύτητας G=6,67*10-11
Η εξίσωση δεν είναι απολύτως σχετική όταν αναλύεται ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο ή η έλξη περισσότερων από δύο αντικειμένων.
Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν
Κατά τη διάρκεια διαφόρων πειραμάτων, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν κάποια λάθη στον τύπο του Νεύτωνα. Η βάση της ουράνιας μηχανικής είναι μια δύναμη μεγάλης εμβέλειας που λειτουργεί ακαριαία ανεξάρτητα από την απόσταση, η οποία δεν αντιστοιχεί στη θεωρία της σχετικότητας.
Σύμφωνα με τη θεωρία του A. Einstein που αναπτύχθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα, οι πληροφορίες δεν ταξιδεύουν ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός στο κενό, επομένως τα βαρυτικά φαινόμενα προκύπτουν ως αποτέλεσμα της παραμόρφωσης του χωροχρόνου. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του αντικειμένου, τόσο μεγαλύτερη είναι η καμπυλότητα στην οποία κυλούν ελαφρύτερα αντικείμενα.
Κβαντική βαρύτητα
Μια πολύ αμφιλεγόμενη και όχι πλήρως διαμορφωμένη θεωρία που εξηγεί την αλληλεπίδραση των σωμάτων ως ανταλλαγή ειδικών σωματιδίων - γραβιτονίων.
Στις αρχές του 21ου αιώνα, οι επιστήμονες κατάφεραν να πραγματοποιήσουν αρκετά σημαντικά πειράματα, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης του Επιταχυντή Αδρονίων, και να αναπτύξουν τη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας βρόχου και τη θεωρία χορδών.
Σύμπαν χωρίς βαρύτητα
Τα μυθιστορήματα επιστημονικής φαντασίας συχνά περιγράφουν διάφορες βαρυτικές παραμορφώσεις, θαλάμους αντιβαρύτητας και διαστημόπλοια με τεχνητό βαρυτικό πεδίο. Οι αναγνώστες μερικές φορές δεν σκέφτονται καν πόσο μη ρεαλιστικές είναι οι πλοκές των βιβλίων και τι θα συμβεί εάν η βαρύτητα μειωθεί/αυξηθεί ή εξαφανιστεί τελείως.
- Ο άνθρωπος είναι προσαρμοσμένος στη βαρύτητα της Γης, οπότε σε άλλες συνθήκες θα πρέπει να αλλάξει ριζικά. Η έλλειψη βάρους οδηγεί σε μυϊκή ατροφία, μείωση του αριθμού των ερυθρών αιμοσφαιρίων και διαταραχή στη λειτουργία όλων των ζωτικών συστημάτων του σώματος και με την αύξηση του βαρυτικού πεδίου, οι άνθρωποι απλά δεν θα μπορούν να κινηθούν.
- Αέρας και νερό, φυτά και ζώα, σπίτια και αυτοκίνητα θα πετάξουν στο διάστημα. Ακόμα κι αν οι άνθρωποι καταφέρουν να μείνουν, θα πεθάνουν γρήγορα χωρίς οξυγόνο και τροφή. Η χαμηλή βαρύτητα στη Σελήνη είναι ο κύριος λόγος για την απουσία ατμόσφαιρας και, κατά συνέπεια, ζωής.
- Ο πλανήτης μας θα καταρρεύσει καθώς η πίεση στο κέντρο της Γης εξαφανίζεται, όλα τα υπάρχοντα ηφαίστεια θα εκραγούν και οι τεκτονικές πλάκες θα αποκλίνουν.
- Τα αστέρια θα εκραγούν λόγω της έντονης πίεσης και των χαοτικών συγκρούσεων σωματιδίων στον πυρήνα.
- Το σύμπαν θα γίνει ένα άμορφο στιφάδο από άτομα και μόρια που δεν μπορούν να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν κάτι μεγαλύτερο.
Ευτυχώς για την ανθρωπότητα, η διακοπή της βαρύτητας και τα τρομερά γεγονότα που ακολουθούν δεν θα συμβούν ποτέ. Το σκοτεινό σενάριο απλώς δείχνει πόσο σημαντική είναι η βαρύτητα. Είναι πολύ πιο αδύναμη από ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρές ή αδύναμες αλληλεπιδράσεις, αλλά στην πραγματικότητα χωρίς αυτό ο κόσμος μας θα πάψει να υπάρχει.
Η βαρύτητα είναι η πιο μυστηριώδης δύναμη στο Σύμπαν. Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν πλήρως τη φύση του. Είναι αυτή που κρατά τους πλανήτες του ηλιακού συστήματος σε τροχιά. Είναι μια δύναμη που εμφανίζεται μεταξύ δύο αντικειμένων και εξαρτάται από τη μάζα και την απόσταση.
Η βαρύτητα ονομάζεται δύναμη έλξης ή έλξης. Με τη βοήθειά του, ένας πλανήτης ή άλλο σώμα έλκει αντικείμενα προς το κέντρο του. Η βαρύτητα κρατά τους πλανήτες σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο.
Τι άλλο κάνει η βαρύτητα;
Γιατί προσγειώνεστε στο έδαφος όταν πηδάτε πάνω, αντί να επιπλέετε στο διάστημα; Γιατί πέφτουν τα πράγματα όταν τα πετάς; Η απάντηση είναι η αόρατη δύναμη της βαρύτητας, η οποία έλκει τα αντικείμενα το ένα προς το άλλο. Η βαρύτητα της γης είναι αυτή που σας κρατά προσγειωμένη και κάνει τα πράγματα να πέφτουν.
Οτιδήποτε έχει μάζα έχει βαρύτητα. Η δύναμη της βαρύτητας εξαρτάται από δύο παράγοντες: τη μάζα των αντικειμένων και την απόσταση μεταξύ τους. Εάν σηκώσετε μια πέτρα και ένα φτερό και τα απελευθερώσετε από το ίδιο ύψος, και τα δύο αντικείμενα θα πέσουν στο έδαφος. Μια βαριά πέτρα θα πέσει πιο γρήγορα από ένα φτερό. Το φτερό θα εξακολουθεί να κρέμεται στον αέρα γιατί είναι πιο ελαφρύ. Τα αντικείμενα με μεγαλύτερη μάζα έχουν ισχυρότερη βαρυτική δύναμη, η οποία γίνεται πιο αδύναμη με την απόσταση: όσο πιο κοντά είναι τα αντικείμενα μεταξύ τους, τόσο ισχυρότερη είναι η βαρυτική τους έλξη.
Η βαρύτητα στη Γη και στο Σύμπαν
Κατά τη διάρκεια της πτήσης του αεροσκάφους, τα άτομα που βρίσκονται σε αυτό παραμένουν στη θέση τους και μπορούν να κινούνται σαν στο έδαφος. Αυτό συμβαίνει λόγω της διαδρομής πτήσης. Υπάρχουν ειδικά σχεδιασμένα αεροπλάνα στα οποία σε συγκεκριμένο ύψος δεν υπάρχει βαρύτητα, με αποτέλεσμα την έλλειψη βαρύτητας. Το αεροπλάνο εκτελεί έναν ειδικό ελιγμό, η μάζα των αντικειμένων αλλάζει και ανεβαίνουν στον αέρα για μικρό χρονικό διάστημα. Μετά από λίγα δευτερόλεπτα, το βαρυτικό πεδίο αποκαθίσταται.
Λαμβάνοντας υπόψη τη βαρυτική δύναμη στο Διάστημα, η υδρόγειος την έχει μεγαλύτερη από τους περισσότερους πλανήτες. Απλώς κοιτάξτε την κίνηση των αστροναυτών όταν προσγειώνονται σε πλανήτες. Αν περπατήσουμε ήρεμα στο έδαφος, τότε οι αστροναύτες μοιάζουν να επιπλέουν στον αέρα, αλλά δεν πετούν στο διάστημα. Αυτό σημαίνει ότι αυτός ο πλανήτης έχει επίσης μια βαρυτική δύναμη, λίγο διαφορετική από αυτή του πλανήτη Γη.
Η βαρυτική δύναμη του Ήλιου είναι τόσο ισχυρή που κρατά εννέα πλανήτες, πολλούς δορυφόρους, αστεροειδείς και πλανήτες.
Η βαρύτητα παίζει ζωτικό ρόλο στην ανάπτυξη του Σύμπαντος. Ελλείψει βαρύτητας, δεν θα υπήρχαν αστέρια, πλανήτες, αστεροειδείς, μαύρες τρύπες ή γαλαξίες. Είναι ενδιαφέρον ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι στην πραγματικότητα ορατές. Οι επιστήμονες προσδιορίζουν τα σημάδια μιας μαύρης τρύπας από την ισχύ του βαρυτικού πεδίου σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Εάν είναι πολύ ισχυρό με ισχυρή δόνηση, αυτό δείχνει την ύπαρξη μιας μαύρης τρύπας.
Μύθος 1. Δεν υπάρχει βαρύτητα στο διάστημα
Παρακολουθώντας ντοκιμαντέρ για τους αστροναύτες, φαίνεται ότι επιπλέουν πάνω από την επιφάνεια των πλανητών. Αυτό συμβαίνει επειδή σε άλλους πλανήτες η βαρύτητα είναι χαμηλότερη από ό,τι στη Γη, έτσι οι αστροναύτες περπατούν σαν να επιπλέουν στον αέρα.
Μύθος 2. Όλα τα σώματα που πλησιάζουν μια μαύρη τρύπα σχίζονται
Οι μαύρες τρύπες είναι ισχυρές και παράγουν ισχυρά βαρυτικά πεδία. Όσο πιο κοντά βρίσκεται ένα αντικείμενο σε μια μαύρη τρύπα, τόσο ισχυρότερες γίνονται οι παλιρροϊκές δυνάμεις και η βαρύτητα. Η περαιτέρω εξέλιξη των γεγονότων εξαρτάται από τη μάζα του αντικειμένου, το μέγεθος της μαύρης τρύπας και την απόσταση μεταξύ τους. Μια μαύρη τρύπα έχει μάζα ακριβώς αντίθετη από το μέγεθός της. Είναι ενδιαφέρον ότι όσο μεγαλύτερη είναι η τρύπα, τόσο πιο αδύναμες είναι οι παλιρροϊκές δυνάμεις και το αντίστροφο. Ετσι, δεν σκίζονται όλα τα αντικείμενα όταν εισέρχονται στο πεδίο της μαύρης τρύπας.
Μύθος 3. Οι τεχνητοί δορυφόροι μπορούν να περιφέρονται για πάντα γύρω από τη Γη
Θεωρητικά, θα μπορούσε να το πει κανείς, αν όχι για την επιρροή δευτερευόντων παραγόντων. Πολλά εξαρτώνται από την τροχιά. Σε χαμηλή τροχιά, ένας δορυφόρος δεν θα μπορεί να πετάξει για πάντα λόγω ατμοσφαιρικής πέδησης σε υψηλές τροχιές μπορεί να παραμείνει σε αμετάβλητη κατάσταση για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά εδώ ισχύουν οι βαρυτικές δυνάμεις άλλων αντικειμένων.
Αν υπήρχε μόνο η Γη ανάμεσα σε όλους τους πλανήτες, ο δορυφόρος θα έλκονταν από αυτήν και πρακτικά δεν θα άλλαζε την τροχιά του. Αλλά σε υψηλές τροχιές το αντικείμενο περιβάλλεται από πολλούς πλανήτες, μεγάλους και μικρούς, το καθένα με τη δική του βαρυτική δύναμη.
Σε αυτή την περίπτωση, ο δορυφόρος θα απομακρυνόταν σταδιακά από την τροχιά του και θα κινούνταν χαοτικά. Και, είναι πιθανό ότι μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, θα είχε συντριβεί στην πλησιέστερη επιφάνεια ή θα είχε μετακινηθεί σε άλλη τροχιά.
Μερικά γεγονότα
- Σε ορισμένα μέρη της Γης, η δύναμη της βαρύτητας είναι ασθενέστερη από ό,τι σε ολόκληρο τον πλανήτη. Για παράδειγμα, στον Καναδά, στην περιοχή του Hudson Bay, η δύναμη της βαρύτητας είναι μικρότερη.
- Όταν οι αστροναύτες επιστρέφουν από το διάστημα στον πλανήτη μας, στην αρχή δυσκολεύονται να προσαρμοστούν στη βαρυτική δύναμη του πλανήτη. Μερικές φορές χρειάζονται αρκετοί μήνες.
- Οι μαύρες τρύπες έχουν την πιο ισχυρή βαρυτική δύναμη μεταξύ των διαστημικών αντικειμένων. Μια μαύρη τρύπα στο μέγεθος μιας μπάλας έχει περισσότερη δύναμη από οποιονδήποτε πλανήτη.
Παρά τη συνεχή μελέτη της δύναμης της βαρύτητας, η βαρύτητα παραμένει άλυτη. Αυτό σημαίνει ότι η επιστημονική γνώση παραμένει περιορισμένη και η ανθρωπότητα έχει πολλά νέα πράγματα να μάθει.
Don DeYoung
Η βαρύτητα (ή βαρύτητα) μας κρατά σταθερά στη γη και επιτρέπει στη γη να περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο. Χάρη σε αυτή την αόρατη δύναμη, η βροχή πέφτει στη γη και η στάθμη του νερού στον ωκεανό ανεβαίνει και πέφτει κάθε μέρα. Η βαρύτητα διατηρεί τη γη σε σφαιρικό σχήμα και επίσης εμποδίζει την ατμόσφαιρά μας να διαφύγει στο διάστημα. Φαίνεται ότι αυτή η δύναμη έλξης που παρατηρείται καθημερινά θα πρέπει να μελετηθεί καλά από τους επιστήμονες. Αλλά όχι! Από πολλές απόψεις, η βαρύτητα παραμένει το βαθύτερο μυστήριο της επιστήμης. Αυτή η μυστηριώδης δύναμη είναι ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα του πόσο περιορισμένη είναι η σύγχρονη επιστημονική γνώση.
Τι είναι η βαρύτητα;
Ο Ισαάκ Νεύτων ενδιαφέρθηκε για αυτό το θέμα ήδη από το 1686 και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η βαρύτητα είναι η δύναμη έλξης που υπάρχει μεταξύ όλων των αντικειμένων. Συνειδητοποίησε ότι η ίδια δύναμη που κάνει το μήλο να πέσει στο έδαφος βρίσκεται στην τροχιά του. Στην πραγματικότητα, η βαρυτική δύναμη της Γης αναγκάζει τη Σελήνη να αποκλίνει από την ευθεία πορεία της κατά περίπου ένα χιλιοστό κάθε δευτερόλεπτο καθώς περιφέρεται γύρω από τη Γη (Εικόνα 1). Ο Παγκόσμιος Νόμος της Βαρύτητας του Νεύτωνα είναι μια από τις μεγαλύτερες επιστημονικές ανακαλύψεις όλων των εποχών.
Η βαρύτητα είναι το «σχοινί» που κρατά αντικείμενα σε τροχιά
Εικόνα 1.Απεικόνιση της τροχιάς του φεγγαριού, όχι σε κλίμακα. Κάθε δευτερόλεπτο το φεγγάρι διανύει περίπου 1 χλμ. Σε αυτή την απόσταση, αποκλίνει από την ευθεία διαδρομή κατά περίπου 1 mm - αυτό συμβαίνει λόγω της βαρυτικής έλξης της Γης (διακεκομμένη γραμμή). Το φεγγάρι φαίνεται συνεχώς να πέφτει πίσω (ή γύρω από) τη γη, όπως οι πλανήτες πέφτουν γύρω από τον ήλιο.
Η βαρύτητα είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (Πίνακας 1). Σημειώστε ότι από τις τέσσερις δυνάμεις, αυτή η δύναμη είναι η πιο αδύναμη, και ωστόσο είναι κυρίαρχη σε σχέση με τα μεγάλα διαστημικά αντικείμενα. Όπως έδειξε ο Νεύτωνας, η ελκτική δύναμη βαρύτητας μεταξύ οποιωνδήποτε δύο μαζών γίνεται όλο και μικρότερη καθώς η απόσταση μεταξύ τους γίνεται ολοένα και μεγαλύτερη, αλλά ποτέ δεν φθάνει πλήρως το μηδέν (βλ. «The Design of Gravity»).
Επομένως, κάθε σωματίδιο σε ολόκληρο το σύμπαν προσελκύει στην πραγματικότητα κάθε άλλο σωματίδιο. Σε αντίθεση με τις δυνάμεις των αδύναμων και ισχυρών πυρηνικών αλληλεπιδράσεων, η δύναμη έλξης είναι μεγάλης εμβέλειας (Πίνακας 1). Η μαγνητική δύναμη και η ηλεκτρική δύναμη είναι επίσης δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας, αλλά η βαρύτητα είναι μοναδική στο ότι είναι ταυτόχρονα μεγάλης εμβέλειας και πάντα ελκυστική, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί ποτέ να εξαντληθεί (σε αντίθεση με τον ηλεκτρομαγνητισμό, στον οποίο δυνάμεις μπορούν είτε να προσελκύσουν είτε να απωθήσουν) .
Ξεκινώντας με τον μεγάλο επιστήμονα της δημιουργίας Michael Faraday το 1849, οι φυσικοί αναζητούσαν συνεχώς την κρυφή σύνδεση μεταξύ της δύναμης της βαρύτητας και της δύναμης της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Επί του παρόντος, οι επιστήμονες προσπαθούν να συνδυάσουν και τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις σε μια εξίσωση ή τη λεγόμενη «Θεωρία των Πάντων», αλλά χωρίς αποτέλεσμα! Η βαρύτητα παραμένει η πιο μυστηριώδης και λιγότερο μελετημένη δύναμη.
Η βαρύτητα δεν μπορεί να προστατευθεί με κανέναν τρόπο. Όποια και αν είναι η σύνθεση του αποκλειστικού διαμερίσματος, δεν έχει καμία επίδραση στην έλξη μεταξύ δύο διαχωρισμένων αντικειμένων. Αυτό σημαίνει ότι είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ένας θάλαμος κατά της βαρύτητας σε εργαστηριακές συνθήκες. Η δύναμη της βαρύτητας δεν εξαρτάται από τη χημική σύνθεση των αντικειμένων, αλλά εξαρτάται από τη μάζα τους, γνωστή σε εμάς ως βάρος (η δύναμη της βαρύτητας σε ένα αντικείμενο είναι ίση με το βάρος αυτού του αντικειμένου - όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μεγαλύτερη δύναμη ή βάρος.) Τα μπλοκ που αποτελούνται από γυαλί, μόλυβδο, πάγο ή ακόμα και στυρόφωμα, και έχουν την ίδια μάζα, θα βιώσουν (και θα ασκήσουν) την ίδια βαρυτική δύναμη. Αυτά τα δεδομένα ελήφθησαν κατά τη διάρκεια πειραμάτων και οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμα πώς μπορούν να εξηγηθούν θεωρητικά.
Σχεδιασμός στη βαρύτητα
Η δύναμη F μεταξύ δύο μαζών m 1 και m 2 που βρίσκονται σε απόσταση r μπορεί να γραφτεί ως ο τύπος F = (G m 1 m 2)/r 2
Όπου G είναι η σταθερά βαρύτητας που μετρήθηκε για πρώτη φορά από τον Henry Cavendish το 1798.1
Αυτή η εξίσωση δείχνει ότι η βαρύτητα μειώνεται καθώς η απόσταση, r, μεταξύ δύο αντικειμένων γίνεται μεγαλύτερη, αλλά ποτέ δεν φτάνει πλήρως το μηδέν.
Η φύση του νόμου του αντίστροφου τετραγώνου αυτής της εξίσωσης είναι απλά συναρπαστική. Εξάλλου, δεν υπάρχει κανένας απαραίτητος λόγος για τον οποίο η βαρύτητα πρέπει να ενεργεί όπως κάνει. Σε ένα άτακτο, τυχαίο και εξελισσόμενο σύμπαν, αυθαίρετες δυνάμεις όπως το r 1,97 ή το r 2,3 θα φαίνονται πιο πιθανές. Ωστόσο, οι ακριβείς μετρήσεις έδειξαν ακριβή ισχύ, με τουλάχιστον πέντε δεκαδικά ψηφία, 2.00000. Όπως είπε ένας ερευνητής, αυτό το αποτέλεσμα φαίνεται "πολύ ακριβής".2 Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η δύναμη της βαρύτητας δείχνει ένα ακριβές, δημιουργημένο σχέδιο. Στην πραγματικότητα, αν η μοίρα αποκλίνει έστω και λίγο από το 2, οι τροχιές των πλανητών και ολόκληρου του σύμπαντος θα γίνονταν ασταθείς.
Σύνδεσμοι και σημειώσεις
- Από τεχνική άποψη, G = 6,672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
- Thompsen, D., "Πολύ Ακριβές Σχετικά με τη Βαρύτητα", Science News 118(1):13, 1980.
Τι ακριβώς είναι λοιπόν η βαρύτητα; Πώς είναι σε θέση αυτή η δύναμη να λειτουργήσει σε έναν τόσο τεράστιο, κενό χώρο; Και γιατί υπάρχει; Η επιστήμη δεν μπόρεσε ποτέ να απαντήσει σε αυτές τις βασικές ερωτήσεις σχετικά με τους νόμους της φύσης. Η δύναμη της έλξης δεν μπορεί να προκύψει αργά μέσω μετάλλαξης ή φυσικής επιλογής. Ισχύει από την αρχή του σύμπαντος. Όπως κάθε άλλος φυσικός νόμος, η βαρύτητα είναι αναμφίβολα μια αξιοσημείωτη απόδειξη σχεδιασμένης δημιουργίας.
Μερικοί επιστήμονες προσπάθησαν να εξηγήσουν τη βαρύτητα χρησιμοποιώντας αόρατα σωματίδια, γκραβιτόνια, που κινούνται μεταξύ των αντικειμένων. Άλλοι μίλησαν για κοσμικές χορδές και βαρυτικά κύματα. Πρόσφατα, οι επιστήμονες που χρησιμοποιούσαν ένα ειδικά δημιουργημένο εργαστήριο LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) κατάφεραν να δουν μόνο την επίδραση των βαρυτικών κυμάτων. Αλλά η φύση αυτών των κυμάτων, το πώς αλληλεπιδρούν φυσικά τα αντικείμενα μεταξύ τους σε τεράστιες αποστάσεις, αλλάζοντας την αρχή τους, παραμένει ένα μεγάλο ερώτημα για όλους. Απλώς δεν γνωρίζουμε την προέλευση της βαρυτικής δύναμης και πώς διατηρεί τη σταθερότητα ολόκληρου του σύμπαντος.
Βαρύτητα και Γραφή
Δύο αποσπάσματα από τη Βίβλο μπορούν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τη φύση της βαρύτητας και γενικά της φυσικής επιστήμης. Το πρώτο απόσπασμα, Κολοσσαείς 1:17, εξηγεί ότι ο Χριστός «Υπάρχει πρώτα απ' όλα και όλα εξαρτώνται από Αυτόν». Το ελληνικό ρήμα στέκεται (συνισταω sunistao) σημαίνει: προσκολλώ, συγκρατώ ή συγκρατώ. Η ελληνική χρήση αυτής της λέξης εκτός Βίβλου σημαίνει ένα δοχείο που περιέχει νερό. Η λέξη που χρησιμοποιείται στο βιβλίο των Κολοσσαίων είναι στον τέλειο χρόνο, ο οποίος γενικά υποδηλώνει μια παρούσα συνεχιζόμενη κατάσταση που έχει προκύψει από μια ολοκληρωμένη παρελθούσα δράση. Ένας από τους εν λόγω φυσικούς μηχανισμούς είναι ξεκάθαρα η δύναμη της βαρύτητας, που καθιερώθηκε από τον Δημιουργό και διατηρείται ανελλιπώς σήμερα. Απλά φανταστείτε: αν η δύναμη της βαρύτητας σταματούσε για μια στιγμή, αναμφίβολα θα επακολουθούσε χάος. Όλα τα ουράνια σώματα, συμπεριλαμβανομένης της γης, της σελήνης και των αστεριών, δεν θα κρατούνταν πλέον μαζί. Όλα θα χωρίζονταν αμέσως σε ξεχωριστά, μικρά μέρη.
Η δεύτερη Γραφή, Εβραίους 1:3, δηλώνει ότι ο Χριστός «Υποστηρίζει τα πάντα με τον λόγο της δύναμής του».Λέξη κρατά (φερω pherō) περιγράφει ξανά την υποστήριξη ή τη διατήρηση των πάντων, συμπεριλαμβανομένης της βαρύτητας. Λέξη κρατά, όπως χρησιμοποιείται σε αυτόν τον στίχο, σημαίνει πολύ περισσότερα από το να κρατάς βάρος. Περιλαμβάνει τον έλεγχο όλων των κινήσεων και των αλλαγών που συμβαίνουν μέσα στο σύμπαν. Αυτό το ατελείωτο έργο πραγματοποιείται μέσω του παντοδύναμου Λόγου του Κυρίου, μέσω του οποίου άρχισε να υπάρχει το ίδιο το σύμπαν. Η βαρύτητα, μια «μυστηριώδης δύναμη» που παραμένει ελάχιστα κατανοητή μετά από τετρακόσια χρόνια έρευνας, είναι μια εκδήλωση αυτής της εκπληκτικής θεϊκής φροντίδας για το σύμπαν.
Παραμορφώσεις χρόνου και χώρου και μαύρες τρύπες
Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν βλέπει τη βαρύτητα όχι ως δύναμη, αλλά ως την καμπυλότητα του ίδιου του χώρου κοντά σε ένα τεράστιο αντικείμενο. Το φως, που ακολουθεί παραδοσιακά ευθείες γραμμές, προβλέπεται ότι θα κάμπτεται καθώς περνά μέσα από τον καμπύλο χώρο. Αυτό αποδείχθηκε για πρώτη φορά όταν ο αστρονόμος Sir Arthur Eddington ανακάλυψε μια αλλαγή στη φαινομενική θέση ενός αστεριού κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης το 1919, πιστεύοντας ότι οι ακτίνες φωτός κάμπτονταν από τη βαρύτητα του ήλιου.
Η γενική σχετικότητα προβλέπει επίσης ότι εάν ένα σώμα είναι αρκετά πυκνό, η βαρύτητα του θα παραμορφώσει το διάστημα τόσο πολύ που το φως δεν μπορεί να περάσει καθόλου μέσα από αυτό. Ένα τέτοιο σώμα απορροφά το φως και οτιδήποτε άλλο συλλαμβάνεται από την ισχυρή του βαρύτητα, και ονομάζεται Μαύρη Τρύπα. Ένα τέτοιο σώμα μπορεί να ανιχνευθεί μόνο από τη βαρυτική του επίδραση σε άλλα αντικείμενα, από την ισχυρή κάμψη του φωτός γύρω του και από την ισχυρή ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ύλη που πέφτει πάνω του.
Όλη η ύλη μέσα σε μια μαύρη τρύπα συμπιέζεται στο κέντρο, το οποίο έχει άπειρη πυκνότητα. Το «μέγεθος» της τρύπας καθορίζεται από τον ορίζοντα γεγονότων, δηλ. ένα όριο που περιβάλλει το κέντρο μιας μαύρης τρύπας και τίποτα (ούτε καν το φως) δεν μπορεί να ξεφύγει πέρα από αυτό. Η ακτίνα της τρύπας ονομάζεται ακτίνα Schwarzschild, από τον Γερμανό αστρονόμο Karl Schwarzschild (1873–1916), και υπολογίζεται με τον τύπο RS = 2GM/c 2, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Εάν ο ήλιος έπεφτε σε μια μαύρη τρύπα, η ακτίνα Schwarzschild του θα ήταν μόνο 3 χιλιόμετρα.
Υπάρχουν καλές ενδείξεις ότι αφού ένα τεράστιο αστέρι τελειώσει από πυρηνικό καύσιμο, δεν μπορεί πλέον να αντισταθεί στην κατάρρευση κάτω από το δικό του τεράστιο βάρος και πέφτει σε μια μαύρη τρύπα. Μαύρες τρύπες με μάζα δισεκατομμυρίων Ήλιων πιστεύεται ότι υπάρχουν στα κέντρα των γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας γαλαξία, του Γαλαξία μας. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι τα εξαιρετικά φωτεινά και πολύ μακρινά αντικείμενα που ονομάζονται κβάζαρ αξιοποιούν την ενέργεια που απελευθερώνεται όταν η ύλη πέφτει σε μια μαύρη τρύπα.
Σύμφωνα με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας, η βαρύτητα παραμορφώνει επίσης τον χρόνο. Αυτό έχει επίσης επιβεβαιωθεί από πολύ ακριβή ατομικά ρολόγια, τα οποία τρέχουν μερικά μικροδευτερόλεπτα πιο αργά στο επίπεδο της θάλασσας από ό,τι σε περιοχές πάνω από το επίπεδο της θάλασσας, όπου η βαρύτητα της Γης είναι ελαφρώς ασθενέστερη. Κοντά στον ορίζοντα γεγονότων αυτό το φαινόμενο είναι πιο αισθητό. Αν παρακολουθήσουμε το ρολόι ενός αστροναύτη καθώς πλησιάζει στον ορίζοντα γεγονότων, θα δούμε ότι το ρολόι τρέχει πιο αργά. Μόλις μπούμε στον ορίζοντα γεγονότων, το ρολόι θα σταματήσει, αλλά δεν θα μπορέσουμε ποτέ να το δούμε. Αντίθετα, ένας αστροναύτης δεν θα παρατηρήσει ότι το ρολόι του τρέχει πιο αργά, αλλά θα δει ότι το ρολόι μας τρέχει όλο και πιο γρήγορα.
Ο κύριος κίνδυνος για έναν αστροναύτη κοντά σε μια μαύρη τρύπα θα ήταν οι παλιρροϊκές δυνάμεις που προκαλούνται από το γεγονός ότι η βαρύτητα είναι ισχυρότερη σε μέρη του σώματος που βρίσκονται πιο κοντά στη μαύρη τρύπα παρά σε μέρη πιο μακριά από αυτήν. Η δύναμη των παλιρροϊκών δυνάμεων κοντά σε μια μαύρη τρύπα με τη μάζα ενός αστεριού είναι ισχυρότερη από οποιονδήποτε τυφώνα και σκίζει εύκολα σε μικρά κομμάτια ό,τι έρχεται στο δρόμο τους. Ωστόσο, ενώ η βαρυτική έλξη μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης (1/r 2), η παλιρροιακή επιρροή μειώνεται με τον κύβο της απόστασης (1/r 3). Επομένως, σε αντίθεση με τη συμβατική σοφία, η βαρυτική δύναμη (συμπεριλαμβανομένης της παλιρροιακής δύναμης) στους ορίζοντες γεγονότων των μεγάλων μαύρων τρυπών είναι ασθενέστερη από ό,τι στις μικρές μαύρες τρύπες. Έτσι οι παλιρροϊκές δυνάμεις στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας σε παρατηρήσιμο χώρο θα ήταν λιγότερο αισθητές από τον πιο ήπιο αεράκι.
Το τέντωμα του χρόνου από τη βαρύτητα κοντά στον ορίζοντα γεγονότων είναι η βάση του νέου κοσμολογικού μοντέλου του φυσικού της δημιουργίας Δρ. Ράσελ Χάμφρεϊς, το οποίο περιγράφει στο βιβλίο του Starlight and Time. Αυτό το μοντέλο μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση του προβλήματος του πώς μπορούμε να δούμε το φως των μακρινών αστεριών στο νεαρό σύμπαν. Επιπλέον, σήμερα αποτελεί μια επιστημονική εναλλακτική της μη βιβλικής, η οποία βασίζεται σε φιλοσοφικές υποθέσεις που ξεφεύγουν από το πεδίο της επιστήμης.
Σημείωμα
Η βαρύτητα, μια «μυστηριώδης δύναμη» που, ακόμη και μετά από τετρακόσια χρόνια έρευνας, παραμένει ελάχιστα κατανοητή...
Ισαάκ Νεύτων (1642-1727)
Φωτογραφία: Wikipedia.org
Ισαάκ Νεύτων (1642-1727)
Ο Ισαάκ Νεύτων δημοσίευσε τις ανακαλύψεις του για τη βαρύτητα και την κίνηση των ουράνιων σωμάτων το 1687, στο διάσημο έργο του " Μαθηματικές αρχές" Μερικοί αναγνώστες κατέληξαν γρήγορα στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν του Νεύτωνα δεν άφηνε χώρο στον Θεό, αφού τα πάντα μπορούσαν πλέον να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας εξισώσεις. Αλλά ο Νεύτων δεν το σκέφτηκε καθόλου, όπως είπε στη δεύτερη έκδοση αυτού του διάσημου έργου:
«Το πιο όμορφο ηλιακό μας σύστημα, οι πλανήτες και οι κομήτες μας μπορούν να είναι μόνο το αποτέλεσμα του σχεδίου και της κυριαρχίας ενός ευφυούς και ισχυρού όντος».
Ο Ισαάκ Νεύτων δεν ήταν μόνο επιστήμονας. Εκτός από την επιστήμη, αφιέρωσε σχεδόν όλη του τη ζωή στη μελέτη της Βίβλου. Τα αγαπημένα του βιβλία της Αγίας Γραφής ήταν το βιβλίο του Δανιήλ και το βιβλίο της Αποκάλυψης, που περιγράφουν τα σχέδια του Θεού για το μέλλον. Στην πραγματικότητα, ο Νεύτων έγραψε περισσότερα θεολογικά έργα παρά επιστημονικά.
Ο Νεύτων σέβονταν άλλους επιστήμονες όπως ο Galileo Galilei. Παρεμπιπτόντως, ο Νεύτων γεννήθηκε την ίδια χρονιά που πέθανε ο Γαλιλαίος, το 1642. Ο Νεύτων έγραψε στην επιστολή του: «Αν έβλεπα πιο μακριά από άλλους, ήταν επειδή στάθηκα ώμουςγίγαντες». Λίγο πριν από το θάνατό του, στοχαζόμενος πιθανώς το μυστήριο της βαρύτητας, ο Νεύτων έγραψε σεμνά: «Δεν ξέρω πώς με αντιλαμβάνεται ο κόσμος, αλλά για τον εαυτό μου μοιάζω σαν αγόρι που παίζει στην ακτή, που διασκεδάζει βρίσκοντας περιστασιακά ένα βότσαλο πιο πολύχρωμο από τους άλλους ή ένα όμορφο κοχύλι, ενώ ένας τεράστιος ωκεανός ανεξερεύνητη αλήθεια».
Ο Νεύτων είναι θαμμένος στο Αβαείο του Γουέστμινστερ. Η λατινική επιγραφή στον τάφο του τελειώνει με τις λέξεις: «Ας χαίρονται οι θνητοί που έζησε ανάμεσά τους ένας τέτοιος στολισμός του ανθρώπινου γένους»..
Το πιο σημαντικό φαινόμενο που μελετάται συνεχώς από τους φυσικούς είναι η κίνηση. Ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, νόμοι της μηχανικής, θερμοδυναμικές και κβαντικές διεργασίες - όλα αυτά είναι ένα ευρύ φάσμα θραυσμάτων του σύμπαντος που μελετήθηκαν από τη φυσική. Και όλες αυτές οι διαδικασίες καταλήγουν, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, σε ένα πράγμα - σε.
Τα πάντα στο Σύμπαν κινούνται. Η βαρύτητα είναι ένα κοινό φαινόμενο για όλους τους ανθρώπους από την παιδική μας ηλικία.
Αλλά, δυστυχώς, το ερώτημα είναι γιατί και πώς όλα τα σώματα έλκονται μεταξύ τους, παραμένει μέχρι σήμερα μη πλήρως αποκαλυπτόμενη, αν και έχει μελετηθεί σε μεγάλο βαθμό.
Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε ποια είναι η παγκόσμια έλξη σύμφωνα με τον Newton - την κλασική θεωρία της βαρύτητας. Ωστόσο, πριν προχωρήσουμε σε τύπους και παραδείγματα, θα μιλήσουμε για την ουσία του προβλήματος της έλξης και θα του δώσουμε έναν ορισμό.
Ίσως η μελέτη της βαρύτητας έγινε η αρχή της φυσικής φιλοσοφίας (η επιστήμη της κατανόησης της ουσίας των πραγμάτων), ίσως η φυσική φιλοσοφία έδωσε αφορμή για το ζήτημα της ουσίας της βαρύτητας, αλλά, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, το ζήτημα της έλξης των σωμάτων ενδιαφέρθηκε για την αρχαία Ελλάδα.
Η κίνηση κατανοήθηκε ως η ουσία του αισθητηριακού χαρακτηριστικού του σώματος, ή μάλλον, το σώμα κινούνταν ενώ το έβλεπε ο παρατηρητής. Εάν δεν μπορούμε να μετρήσουμε, να ζυγίσουμε ή να αισθανθούμε ένα φαινόμενο, αυτό σημαίνει ότι αυτό το φαινόμενο δεν υπάρχει; Φυσικά, δεν σημαίνει αυτό. Και αφού ο Αριστοτέλης το κατάλαβε αυτό, άρχισαν οι προβληματισμοί για την ουσία της βαρύτητας.
Όπως αποδείχθηκε σήμερα, μετά από πολλές δεκάδες αιώνες, η βαρύτητα είναι η βάση όχι μόνο της γήινης βαρύτητας και της έλξης του πλανήτη μας προς, αλλά και η βάση για την προέλευση του Σύμπαντος και σχεδόν όλων των υπαρχόντων στοιχειωδών σωματιδίων.
Έργο κίνησης
Ας κάνουμε ένα πείραμα σκέψης. Ας πάρουμε μια μικρή μπάλα στο αριστερό μας χέρι. Ας πάρουμε το ίδιο στα δεξιά. Ας αφήσουμε τη σωστή μπάλα και θα αρχίσει να πέφτει κάτω. Το αριστερό παραμένει στο χέρι, είναι ακόμα ακίνητο.
Ας σταματήσουμε νοερά το πέρασμα του χρόνου. Η δεξιά μπάλα που πέφτει «κρέμεται» στον αέρα, η αριστερή παραμένει ακόμα στο χέρι. Η δεξιά μπάλα είναι προικισμένη με την «ενέργεια» της κίνησης, η αριστερή όχι. Ποια είναι όμως η βαθιά, ουσιαστική διαφορά μεταξύ τους;
Πού, σε ποιο σημείο της μπάλας που πέφτει γράφει ότι πρέπει να κινηθεί; Έχει την ίδια μάζα, τον ίδιο όγκο. Έχει τα ίδια άτομα και δεν διαφέρουν από τα άτομα μιας μπάλας σε ηρεμία. Μπάλα έχει? Ναι, αυτή είναι η σωστή απάντηση, αλλά πώς ξέρει η μπάλα τι έχει δυναμική ενέργεια, πού καταγράφεται σε αυτήν;
Αυτό ακριβώς είναι το καθήκον που έθεσαν οι ίδιοι ο Αριστοτέλης, ο Νεύτωνας και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν. Και οι τρεις λαμπροί στοχαστές έλυσαν εν μέρει αυτό το πρόβλημα μόνοι τους, αλλά σήμερα υπάρχουν ορισμένα ζητήματα που απαιτούν επίλυση.
Η βαρύτητα του Νεύτωνα
Το 1666, ο μεγαλύτερος Άγγλος φυσικός και μηχανικός I. Newton ανακάλυψε έναν νόμο που μπορεί να υπολογίσει ποσοτικά τη δύναμη λόγω της οποίας όλη η ύλη στο Σύμπαν τείνει μεταξύ τους. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται παγκόσμια βαρύτητα. Όταν ερωτηθείτε: «Διατυπώστε τον νόμο της παγκόσμιας έλξης», η απάντησή σας θα πρέπει να ακούγεται ως εξής:
Εντοπίζεται η δύναμη της βαρυτικής αλληλεπίδρασης, η οποία συμβάλλει στην έλξη δύο σωμάτων σε ευθεία αναλογία με τις μάζες αυτών των σωμάτωνκαι σε αντίστροφη αναλογία με την μεταξύ τους απόσταση.
Σπουδαίος!Ο νόμος της έλξης του Νεύτωνα χρησιμοποιεί τον όρο «απόσταση». Αυτός ο όρος δεν πρέπει να κατανοηθεί ως η απόσταση μεταξύ των επιφανειών των σωμάτων, αλλά ως η απόσταση μεταξύ των κέντρων βάρους τους. Για παράδειγμα, αν δύο μπάλες ακτίνων r1 και r2 βρίσκονται η μία πάνω στην άλλη, τότε η απόσταση μεταξύ των επιφανειών τους είναι μηδέν, αλλά υπάρχει ελκτική δύναμη. Το θέμα είναι ότι η απόσταση μεταξύ των κέντρων τους r1+r2 είναι διαφορετική από το μηδέν. Σε κοσμική κλίμακα, αυτή η διευκρίνιση δεν είναι σημαντική, αλλά για έναν δορυφόρο σε τροχιά, αυτή η απόσταση είναι ίση με το ύψος πάνω από την επιφάνεια συν την ακτίνα του πλανήτη μας. Η απόσταση μεταξύ της Γης και της Σελήνης μετριέται επίσης ως η απόσταση μεταξύ των κέντρων τους, όχι των επιφανειών τους.
Για τον νόμο της βαρύτητας ο τύπος είναι ο εξής:
,
- F – δύναμη έλξης,
- – μάζες,
- r – απόσταση,
- G – σταθερά βαρύτητας ίση με 6,67·10−11 m³/(kg·s²).
Τι είναι το βάρος, αν κοιτάξαμε απλώς τη δύναμη της βαρύτητας;
Η δύναμη είναι ένα διανυσματικό μέγεθος, αλλά στον νόμο της παγκόσμιας βαρύτητας γράφεται παραδοσιακά ως βαθμωτός. Σε μια διανυσματική εικόνα, ο νόμος θα μοιάζει με αυτό:
.
Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι η δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη με τον κύβο της απόστασης μεταξύ των κέντρων. Η σχέση πρέπει να εκληφθεί ως ένα διάνυσμα μονάδας που κατευθύνεται από το ένα κέντρο στο άλλο:
.
Νόμος της Βαρυτικής Αλληλεπίδρασης
Βάρος και βαρύτητα
Έχοντας εξετάσει το νόμο της βαρύτητας, μπορεί κανείς να καταλάβει ότι δεν είναι περίεργο που εμείς προσωπικά αισθανόμαστε τη βαρύτητα του Ήλιου πολύ πιο αδύναμη από τη βαρύτητα της Γης. Αν και ο τεράστιος Ήλιος έχει μεγάλη μάζα, είναι πολύ μακριά από εμάς. είναι επίσης μακριά από τον Ήλιο, αλλά έλκεται από αυτόν, αφού έχει μεγάλη μάζα. Πώς να βρείτε τη βαρυτική δύναμη δύο σωμάτων, δηλαδή, πώς να υπολογίσετε τη βαρυτική δύναμη του Ήλιου, της Γης και εσείς και εμένα - θα ασχοληθούμε με αυτό το θέμα λίγο αργότερα.
Από όσο γνωρίζουμε, η δύναμη της βαρύτητας είναι:
όπου m είναι η μάζα μας και g η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης της Γης (9,81 m/s 2).
Σπουδαίος!Δεν υπάρχουν δύο, τρεις, δέκα τύποι ελκτικών δυνάμεων. Η βαρύτητα είναι η μόνη δύναμη που δίνει ένα ποσοτικό χαρακτηριστικό της έλξης. Το βάρος (P = mg) και η βαρυτική δύναμη είναι το ίδιο πράγμα.
Αν m είναι η μάζα μας, M είναι η μάζα της σφαίρας, R είναι η ακτίνα της, τότε η βαρυτική δύναμη που ασκεί πάνω μας είναι ίση με:
Έτσι, εφόσον F = mg:
.
Οι μάζες m μειώνονται και η έκφραση για την επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης παραμένει:
Όπως μπορούμε να δούμε, η επιτάχυνση της βαρύτητας είναι πραγματικά μια σταθερή τιμή, αφού ο τύπος της περιλαμβάνει σταθερές ποσότητες - την ακτίνα, τη μάζα της Γης και τη σταθερά της βαρύτητας. Αντικαθιστώντας τις τιμές αυτών των σταθερών, θα βεβαιωθούμε ότι η επιτάχυνση της βαρύτητας είναι ίση με 9,81 m/s 2.
Σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη, η ακτίνα του πλανήτη είναι ελαφρώς διαφορετική, αφού η Γη εξακολουθεί να μην είναι μια τέλεια σφαίρα. Εξαιτίας αυτού, η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης σε μεμονωμένα σημεία του πλανήτη είναι διαφορετική.
Ας επιστρέψουμε στην έλξη της Γης και του Ήλιου. Ας προσπαθήσουμε να αποδείξουμε με ένα παράδειγμα ότι η σφαίρα ελκύει εσάς και εμένα πιο δυνατά από τον Ήλιο.
Για ευκολία, ας πάρουμε τη μάζα ενός ατόμου: m = 100 kg. Τότε:
- Η απόσταση μεταξύ ενός ατόμου και της σφαίρας είναι ίση με την ακτίνα του πλανήτη: R = 6,4∙10 6 m.
- Η μάζα της Γης είναι: M ≈ 6∙10 24 kg.
- Η μάζα του Ήλιου είναι: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
- Απόσταση μεταξύ του πλανήτη μας και του Ήλιου (μεταξύ Ήλιου και ανθρώπου): r=15∙10 10 m.
Βαρυτική έλξη μεταξύ ανθρώπου και Γης:
Αυτό το αποτέλεσμα είναι αρκετά προφανές από την απλούστερη έκφραση για το βάρος (P = mg).
Η δύναμη της βαρυτικής έλξης μεταξύ ανθρώπου και Ήλιου:
Όπως μπορούμε να δούμε, ο πλανήτης μας μας ελκύει σχεδόν 2000 φορές πιο δυνατά.
Πώς να βρείτε τη δύναμη έλξης μεταξύ της Γης και του Ήλιου; Ως εξής:
Τώρα βλέπουμε ότι ο Ήλιος έλκει τον πλανήτη μας περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από ό,τι ο πλανήτης ελκύει εσάς και εμένα.
Πρώτη ταχύτητα διαφυγής
Αφού ο Ισαάκ Νεύτων ανακάλυψε τον νόμο της παγκόσμιας βαρύτητας, άρχισε να ενδιαφέρεται για το πόσο γρήγορα πρέπει να εκτοξευθεί ένα σώμα ώστε, έχοντας ξεπεράσει το βαρυτικό πεδίο, να φύγει για πάντα από την υδρόγειο.
Είναι αλήθεια ότι το φαντάστηκε λίγο διαφορετικά, κατά την κατανόησή του δεν ήταν ένας κάθετα όρθιος πύραυλος με στόχο τον ουρανό, αλλά ένα σώμα που έκανε οριζόντια ένα άλμα από την κορυφή ενός βουνού. Αυτό ήταν μια λογική απεικόνιση γιατί Στην κορυφή του βουνού η δύναμη της βαρύτητας είναι ελαφρώς μικρότερη.
Έτσι, στην κορυφή του Έβερεστ, η επιτάχυνση της βαρύτητας δεν θα είναι η συνηθισμένη 9,8 m/s 2 , αλλά σχεδόν m/s 2 . Αυτός είναι ο λόγος που ο αέρας εκεί είναι τόσο αραιός, που τα σωματίδια του αέρα δεν είναι πλέον τόσο συνδεδεμένα με τη βαρύτητα όσο αυτά που «έπεσαν» στην επιφάνεια.
Ας προσπαθήσουμε να μάθουμε τι είναι η ταχύτητα διαφυγής.
Η πρώτη ταχύτητα διαφυγής v1 είναι η ταχύτητα με την οποία το σώμα φεύγει από την επιφάνεια της Γης (ή άλλου πλανήτη) και εισέρχεται σε μια κυκλική τροχιά.
Ας προσπαθήσουμε να μάθουμε την αριθμητική τιμή αυτής της τιμής για τον πλανήτη μας.
Ας γράψουμε τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα για ένα σώμα που περιστρέφεται γύρω από έναν πλανήτη σε κυκλική τροχιά:
,
όπου h είναι το ύψος του σώματος πάνω από την επιφάνεια, R είναι η ακτίνα της Γης.
Σε τροχιά, ένα σώμα υπόκειται σε φυγόκεντρη επιτάχυνση, επομένως:
.
Οι μάζες μειώνονται, παίρνουμε:
,
Αυτή η ταχύτητα ονομάζεται πρώτη ταχύτητα διαφυγής:
Όπως μπορείτε να δείτε, η ταχύτητα διαφυγής είναι απολύτως ανεξάρτητη από τη μάζα του σώματος. Έτσι, οποιοδήποτε αντικείμενο επιταχυνθεί με ταχύτητα 7,9 km/s θα εγκαταλείψει τον πλανήτη μας και θα μπει στην τροχιά του.
Πρώτη ταχύτητα διαφυγής
Δεύτερη ταχύτητα διαφυγής
Ωστόσο, ακόμη και έχοντας επιταχύνει το σώμα στην πρώτη ταχύτητα διαφυγής, δεν θα μπορέσουμε να σπάσουμε εντελώς τη βαρυτική του σύνδεση με τη Γη. Αυτός είναι ο λόγος που χρειαζόμαστε μια δεύτερη ταχύτητα διαφυγής. Όταν φτάσει σε αυτή την ταχύτητα το σώμα φεύγει από το βαρυτικό πεδίο του πλανήτηκαι όλες τις πιθανές κλειστές τροχιές.
Σπουδαίος!Συχνά λανθασμένα πιστεύεται ότι για να φτάσουν στη Σελήνη, οι αστροναύτες έπρεπε να φτάσουν στη δεύτερη ταχύτητα διαφυγής, επειδή έπρεπε πρώτα να «αποσυνδεθούν» από το βαρυτικό πεδίο του πλανήτη. Αυτό δεν ισχύει: το ζεύγος Γης-Σελήνης βρίσκεται στο βαρυτικό πεδίο της Γης. Το κοινό κέντρο βάρους τους είναι μέσα στην υδρόγειο.
Για να βρούμε αυτή την ταχύτητα, ας θέσουμε το πρόβλημα λίγο διαφορετικά. Ας πούμε ότι ένα σώμα πετάει από το άπειρο σε έναν πλανήτη. Ερώτηση: ποια ταχύτητα θα επιτευχθεί στην επιφάνεια κατά την προσγείωση (χωρίς να ληφθεί υπόψη η ατμόσφαιρα, φυσικά); Αυτή ακριβώς είναι η ταχύτητα το σώμα θα χρειαστεί να φύγει από τον πλανήτη.
Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης. Φυσική 9η τάξη
Νόμος της Παγκόσμιας Βαρύτητας.
Σύναψη
Μάθαμε ότι αν και η βαρύτητα είναι η κύρια δύναμη στο Σύμπαν, πολλοί από τους λόγους για αυτό το φαινόμενο εξακολουθούν να παραμένουν μυστήριο. Μάθαμε ποια είναι η δύναμη της παγκόσμιας βαρύτητας του Νεύτωνα, μάθαμε να την υπολογίζουμε για διάφορα σώματα και μελετήσαμε επίσης μερικές χρήσιμες συνέπειες που απορρέουν από ένα φαινόμενο όπως ο παγκόσμιος νόμος της βαρύτητας.
