Zemes gravitācija. Kas ir gravitācija - definīcija un interesanti fakti

Gravitācija, kas pazīstama arī kā pievilcība vai gravitācija, ir universāla matērijas īpašība, kas piemīt visiem objektiem un ķermeņiem Visumā. Gravitācijas būtība ir tāda, ka visi materiālie ķermeņi piesaista visus citus ķermeņus sev apkārt.

Zemes gravitācija

Ja gravitācija ir vispārējs jēdziens un kvalitāte, kas piemīt visiem objektiem Visumā, tad gravitācija ir šīs visaptverošās parādības īpašs gadījums. Zeme pievelk sev visus materiālos objektus, kas atrodas uz tās. Pateicoties tam, cilvēki un dzīvnieki var droši pārvietoties pa zemi, upes, jūras un okeāni var palikt to krastos, un gaiss nevar lidot pāri plašajiem kosmosa plašumiem, bet gan veidot mūsu planētas atmosfēru.

Rodas godīgs jautājums: ja visiem objektiem ir gravitācija, kāpēc Zeme pievelk cilvēkus un dzīvniekus, nevis otrādi? Pirmkārt, mēs pievelkam arī Zemi, tikai, salīdzinot ar tās pievilkšanas spēku, mūsu gravitācija ir niecīga. Otrkārt, gravitācijas spēks ir tieši atkarīgs no ķermeņa masas: jo mazāka ir ķermeņa masa, jo mazāki ir tā gravitācijas spēki.

Otrs rādītājs, no kura atkarīgs pievilkšanas spēks, ir attālums starp objektiem: jo lielāks attālums, jo mazāka ir gravitācijas ietekme. Pateicoties arī tam, planētas pārvietojas savās orbītās un nekrīt viena uz otru.

Ievērības cienīgs ir fakts, ka Zeme, Mēness, Saule un citas planētas par savu sfērisko formu ir tieši saistītas ar gravitācijas spēku. Tas darbojas centra virzienā, velkot uz to vielu, kas veido planētas “ķermeni”.

Zemes gravitācijas lauks

Zemes gravitācijas lauks ir spēka enerģijas lauks, kas veidojas ap mūsu planētu divu spēku darbības rezultātā:

• gravitācija;
• centrbēdzes spēks, kura izskats ir saistīts ar Zemes rotāciju ap savu asi (diennakts rotācija).

Tā kā gan gravitācijas, gan centrbēdzes spēks darbojas pastāvīgi, gravitācijas lauks ir nemainīga parādība.

Lauku nedaudz ietekmē Saules, Mēness un dažu citu debess ķermeņu gravitācijas spēki, kā arī Zemes atmosfēras masas.

Universālās gravitācijas likums un sers Īzaks Ņūtons

Angļu fiziķis sers Īzaks Ņūtons, saskaņā ar slaveno leģendu, kādu dienu, pa dienu pastaigājoties pa dārzu, debesīs ieraudzīja Mēnesi. Tajā pašā laikā no zara nokrita ābols. Toreiz Ņūtons pētīja kustības likumu un zināja, ka ābols nokrīt gravitācijas lauka ietekmē un Mēness griežas orbītā ap Zemi.

Un tad izcilais zinātnieks, ieskatu apgaismots, nāca klajā ar domu, ka, iespējams, ābols nokrīt zemē, pakļaujoties tam pašam spēkam, pateicoties kuram Mēness atrodas savā orbītā, un nesteidzoties nejauši visā galaktikā. Tādā veidā tika atklāts universālās gravitācijas likums, kas pazīstams arī kā Ņūtona trešais likums.

Matemātisko formulu valodā šis likums izskatās šādi:

F=GMm/D 2 ,

Kur F- divu ķermeņu savstarpējās gravitācijas spēks;

M- pirmā ķermeņa masa;

m- otrā ķermeņa masa;

D 2- attālums starp diviem ķermeņiem;

G- gravitācijas konstante, kas vienāda ar 6,67x10 -11.

Gravitācijas spēks ir pamats, uz kura balstās Visums. Pateicoties gravitācijai, Saule neeksplodē, atmosfēra neizplūst kosmosā, cilvēki un dzīvnieki brīvi pārvietojas pa virsmu, augi nes augļus.

Debesu mehānika un relativitātes teorija

Universālās gravitācijas likumu mācās vidusskolas 8.-9.klasē. Uzcītīgie skolēni zina par slaveno ābolu, kas uzkrita uz izcilā Īzaka Ņūtona galvas, un par atklājumiem, kas tam sekoja. Patiesībā ir daudz grūtāk sniegt skaidru gravitācijas definīciju. Mūsdienu zinātnieki turpina diskusijas par to, kā ķermeņi mijiedarbojas kosmosā un vai pastāv antigravitācija. Šo parādību ir ārkārtīgi grūti izpētīt zemes laboratorijās, tāpēc tiek izdalītas vairākas gravitācijas pamatteorijas:

Ņūtona gravitācija

1687. gadā Ņūtons lika pamatus debesu mehānikai, kas pēta ķermeņu kustību tukšā telpā. Viņš aprēķināja Mēness gravitācijas spēku uz Zemes. Saskaņā ar formulu šis spēks ir tieši atkarīgs no to masas un attāluma starp objektiem.

F = (G m1 m2)/r2
Gravitācijas konstante G=6,67*10-11

Vienādojums nav pilnībā svarīgs, analizējot spēcīgu gravitācijas lauku vai vairāk nekā divu objektu piesaisti.

Einšteina gravitācijas teorija

Dažādu eksperimentu gaitā zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka Ņūtona formulā ir dažas kļūdas. Debesu mehānikas pamatā ir liela attāluma spēks, kas darbojas acumirklī neatkarīgi no attāluma, kas neatbilst relativitātes teorijai.

Saskaņā ar A. Einšteina 20. gadsimta sākumā izstrādāto teoriju, informācija vakuumā nepārvietojas ātrāk par gaismas ātrumu, tāpēc laiktelpas deformācijas rezultātā rodas gravitācijas efekti. Jo lielāka ir objekta masa, jo lielāks ir izliekums, kurā ieripinās vieglāki priekšmeti.

Kvantu gravitācija

Ļoti strīdīga un līdz galam neizveidojusies teorija, kas ķermeņu mijiedarbību skaidro kā īpašu daļiņu – gravitonu – apmaiņu.

21. gadsimta sākumā zinātniekiem izdevās veikt vairākus nozīmīgus eksperimentus, tostarp izmantojot hadronu paātrinātāju, un izstrādāt cilpas kvantu gravitācijas teoriju un stīgu teoriju.

Visums bez gravitācijas

Zinātniskās fantastikas romānos bieži ir aprakstīti dažādi gravitācijas traucējumi, antigravitācijas kameras un kosmosa kuģi ar mākslīgu gravitācijas lauku. Lasītāji dažreiz pat neaizdomājas par to, cik nereāls ir grāmatu sižets un kas notiks, ja gravitācija samazināsies/palielināsies vai pilnībā izzudīs.

1. Cilvēks ir pielāgojies Zemes gravitācijai, tāpēc citos apstākļos viņam būs radikāli jāmainās. Bezsvara stāvoklis noved pie muskuļu atrofijas, sarkano asins šūnu skaita samazināšanās un visu ķermeņa dzīvībai svarīgo sistēmu darbības traucējumiem, un, palielinoties gravitācijas laukam, cilvēki vienkārši nevarēs pārvietoties.
2. Gaiss un ūdens, augi un dzīvnieki, mājas un automašīnas lidos kosmosā. Pat ja cilvēkiem izdosies palikt, viņi ātri nomirs bez skābekļa un pārtikas. Zema gravitācija uz Mēness ir galvenais iemesls atmosfēras un attiecīgi dzīvības trūkumam.
3. Mūsu planēta sabruks, pazūdot spiedienam pašā Zemes centrā, izvirdīs visi esošie vulkāni un atšķirsies tektoniskās plāksnes.
4. Zvaigznes eksplodēs intensīva spiediena un haotisku daļiņu sadursmju dēļ kodolā.
5. Visums kļūs par bezveidīgu atomu un molekulu sautējumu, kas nespēj apvienoties, lai radītu neko lielāku.

Par laimi cilvēcei, gravitācijas izslēgšana un tam sekojošie briesmīgie notikumi nekad nenotiks. Tumšais scenārijs vienkārši parāda, cik svarīga ir gravitācija. Viņa ir daudz vājāka nekā elektromagnētisms, spēcīga vai vāja mijiedarbība, bet patiesībā bez tās mūsu pasaule beigs pastāvēt.

Gravitācija ir visnoslēpumainākais spēks Visumā. Zinātnieki pilnībā nezina tā būtību. Tā ir viņa, kas tur Saules sistēmas planētas orbītā. Tas ir spēks, kas rodas starp diviem objektiem un ir atkarīgs no masas un attāluma.

Smaguma spēku sauc par pievilkšanas spēku vai gravitāciju. Ar tās palīdzību planēta vai cits ķermenis velk objektus uz savu centru. Gravitācija notur planētas orbītā ap Sauli.

Ko vēl dara gravitācija?

Kāpēc jūs nolaižaties uz zemes, kad lecat augšā, nevis peldat kosmosā? Kāpēc lietas krīt, kad tās met? Atbilde ir neredzamais gravitācijas spēks, kas velk objektus vienu pret otru. Zemes gravitācija ir tas, kas notur jūs uz zemes un liek lietām krist.

Visam, kam ir masa, ir gravitācija. Smaguma spēks ir atkarīgs no diviem faktoriem: objektu masas un attāluma starp tiem. Ja paņemsiet akmeni un spalvu un atlaidīsiet tos no viena augstuma, abi objekti nokritīs zemē. Smags akmens nokritīs ātrāk nekā spalva. Spalvas joprojām karāsies gaisā, jo tā ir vieglāka. Objektiem ar lielāku masu ir spēcīgāks gravitācijas spēks, kas ar attālumu kļūst vājāks: jo tuvāk objekti atrodas viens otram, jo ​​spēcīgāka ir to pievilkšanās.

Gravitācija uz Zemes un Visumā

Lidmašīnas lidojuma laikā tajā esošie cilvēki paliek uz vietas un var pārvietoties kā uz zemes. Tas notiek lidojuma trajektorijas dēļ. Ir speciāli konstruētas lidmašīnas, kurās noteiktā augstumā nav gravitācijas, kā rezultātā rodas bezsvara stāvoklis. Lidmašīna veic īpašu manevru, mainās objektu masa, un tie uz īsu brīdi paceļas gaisā. Pēc dažām sekundēm gravitācijas lauks tiek atjaunots.

Ņemot vērā gravitācijas spēku Kosmosā, zemeslodei tas ir lielāks nekā lielākajai daļai planētu. Paskatieties uz astronautu kustību, nolaižoties uz planētām. Ja mierīgi ejam pa zemi, tad astronauti it kā peld gaisā, bet nelido kosmosā. Tas nozīmē, ka šai planētai ir arī gravitācijas spēks, tikai nedaudz atšķirīgs no planētas Zeme.

Saules gravitācijas spēks ir tik spēcīgs, ka tajā atrodas deviņas planētas, daudzi pavadoņi, asteroīdi un planētas.

Gravitācijai ir būtiska loma Visuma attīstībā. Ja nebūtu gravitācijas, nebūtu zvaigžņu, planētu, asteroīdu, melno caurumu vai galaktiku. Interesanti, ka melnie caurumi faktiski nav redzami. Zinātnieki nosaka melnā cauruma pazīmes pēc gravitācijas lauka stipruma noteiktā apgabalā. Ja tas ir ļoti spēcīgs ar spēcīgu vibrāciju, tas norāda uz melnā cauruma esamību.

Mīts 1. Kosmosā nav gravitācijas

Skatoties dokumentālās filmas par astronautiem, šķiet, ka viņi peld virs planētu virsmas. Tas notiek tāpēc, ka uz citām planētām gravitācija ir mazāka nekā uz Zemes, tāpēc astronauti staigā tā, it kā peldētu gaisā.

Mīts 2. Visi ķermeņi, kas tuvojas melnajam caurumam, ir saplēsti

Melnie caurumi ir spēcīgi un rada spēcīgus gravitācijas laukus. Jo tuvāk objekts atrodas melnajam caurumam, jo ​​spēcīgāki kļūst paisuma spēki un gravitācija. Tālākā notikumu attīstība ir atkarīga no objekta masas, melnā cauruma lieluma un attāluma starp tiem. Melnā cauruma masa ir tieši pretēja tā izmēram. Interesanti, ka jo lielāks ir caurums, jo vājāki ir paisuma spēki un otrādi. Tādējādi ne visi objekti tiek saplēsti, ieejot melnā cauruma laukā.

Mīts 3. Mākslīgie pavadoņi var riņķot ap Zemi mūžīgi

Teorētiski tā varētu teikt, ja ne sekundāro faktoru ietekme. Daudz kas ir atkarīgs no orbītas. Zemā orbītā satelīts nevarēs lidot mūžīgi atmosfēras bremzēšanas dēļ, augstās orbītās tas var palikt nemainīgā stāvoklī diezgan ilgu laiku, bet šeit stājas spēkā citu objektu gravitācijas spēki.

Ja no visām planētām pastāvētu tikai Zeme, satelīts pievilktos tai un praktiski nemainītu savu trajektoriju. Bet augstās orbītās objektu ieskauj daudzas lielas un mazas planētas, katrs ar savu gravitācijas spēku.

Šajā gadījumā satelīts pakāpeniski attālinātos no savas orbītas un pārvietotos haotiski. Un, visticamāk, pēc kāda laika tas būtu ietriecās tuvākajā virsmā vai pārcēlies uz citu orbītu.

Daži fakti

1. Dažās Zemes daļās gravitācijas spēks ir vājāks nekā uz visas planētas. Piemēram, Kanādā, Hadsona līča reģionā, gravitācijas spēks ir mazāks.
2. Kad astronauti atgriežas no kosmosa uz mūsu planētas, viņiem pašā sākumā ir grūti pielāgoties zemeslodes gravitācijas spēkam. Dažreiz tas aizņem vairākus mēnešus.
3. Melnajiem caurumiem ir visspēcīgākais gravitācijas spēks starp kosmosa objektiem. Vienam bumbiņas izmēra melnam caurumam ir vairāk spēka nekā jebkurai planētai.

Neskatoties uz nepārtrauktu gravitācijas spēka izpēti, gravitācija joprojām nav atrisināta. Tas nozīmē, ka zinātniskās zināšanas joprojām ir ierobežotas un cilvēcei ir jāmācās daudz jaunu lietu.

Dons Dejangs

Gravitācija (vai gravitācija) mūs stingri notur uz zemes un ļauj zemei ​​riņķot ap sauli. Pateicoties šim neredzamajam spēkam, uz zemes līst lietus, un ūdens līmenis okeānā katru dienu ceļas un pazeminās. Gravitācija saglabā zemi sfēriskā formā un arī neļauj mūsu atmosfērai izkļūt kosmosā. Šķiet, ka šis katru dienu novērotais pievilkšanas spēks zinātniekiem būtu labi jāizpēta. Bet nē! Daudzos veidos gravitācija joprojām ir zinātnes dziļākais noslēpums. Šis noslēpumainais spēks ir izcils piemērs tam, cik ierobežotas ir mūsdienu zinātnes zināšanas.

Kas ir gravitācija?

Īzaks Ņūtons par šo jautājumu interesējās jau 1686. gadā un nonāca pie secinājuma, ka gravitācija ir pievilkšanās spēks, kas pastāv starp visiem objektiem. Viņš saprata, ka tā orbītā atrodas tas pats spēks, kas liek ābolam nokrist zemē. Faktiski Zemes gravitācijas spēks liek Mēnesim novirzīties no taisnā ceļa aptuveni par vienu milimetru ik sekundi, kad tas riņķo ap Zemi (1. attēls). Ņūtona universālais gravitācijas likums ir viens no visu laiku lielākajiem zinātniskajiem atklājumiem.

Gravitācija ir "virve", kas notur objektus orbītā

1. attēls. Mēness orbītas ilustrācija, nav zīmēta mērogā. Katru sekundi mēness nobrauc aptuveni 1 km. Šajā attālumā tas novirzās no taisnā ceļa apmēram par 1 mm - tas notiek Zemes gravitācijas spēka dēļ (punktētā līnija). Šķiet, ka mēness pastāvīgi atpaliek (vai ap) zemi, tāpat kā planētas krīt ap sauli.

Gravitācija ir viens no četriem dabas pamatspēkiem (1. tabula). Ņemiet vērā, ka no četriem spēkiem šis spēks ir vājākais, tomēr tas ir dominējošs attiecībā pret lieliem kosmosa objektiem. Kā parādīja Ņūtons, pievilcīgais gravitācijas spēks starp jebkurām divām masām kļūst arvien mazāks un mazāks, attālumam starp tām kļūstot arvien lielākam un lielākam, taču tas nekad pilnībā nesasniedz nulli (sk. "Gravitācijas dizains").

Tāpēc katra daļiņa visā Visumā faktiski piesaista visas citas daļiņas. Atšķirībā no vājas un spēcīgas kodola mijiedarbības spēkiem pievilkšanās spēks ir liela attāluma (1. tabula). Magnētiskais spēks un elektriskais spēks arī ir liela attāluma spēki, taču gravitācija ir unikāla ar to, ka tā ir gan liela attāluma, gan vienmēr pievilcīga, kas nozīmē, ka tā nekad nevar beigties (atšķirībā no elektromagnētisma, kurā spēki var piesaistīt vai atgrūst) .

Sākot ar izcilo radīšanas zinātnieku Maiklu Faradeju 1849. gadā, fiziķi ir nepārtraukti meklējuši slēpto saikni starp gravitācijas spēku un elektromagnētiskās mijiedarbības spēku. Šobrīd zinātnieki mēģina apvienot visus četrus fundamentālos spēkus vienā vienādojumā jeb tā sauktajā “Visa teorijā”, taču nesekmīgi! Gravitācija joprojām ir visnoslēpumainākais un vismazāk pētītais spēks.

Gravitāciju nekādā veidā nevar aizsargāt. Neatkarīgi no bloķējošā nodalījuma sastāva tas neietekmē divu atdalītu objektu pievilcību. Tas nozīmē, ka laboratorijas apstākļos nav iespējams izveidot pretgravitācijas kameru. Smaguma spēks nav atkarīgs no objektu ķīmiskā sastāva, bet ir atkarīgs no to masas, ko mēs zinām kā svaru (smaguma spēks uz objektu ir vienāds ar šī objekta svaru - jo lielāka masa, jo lielāka spēks vai svars.) Bloki, kas sastāv no stikla, svina, ledus vai pat stirofomas un kuriem ir vienāda masa, piedzīvos (un iedarbos) tādu pašu gravitācijas spēku. Šie dati tika iegūti eksperimentu laikā, un zinātnieki joprojām nezina, kā tos varētu teorētiski izskaidrot.

Dizains gravitācijā

Spēku F starp divām masām m 1 un m 2, kas atrodas attālumā r, var uzrakstīt kā formulu F = (G m 1 m 2)/r 2

Kur G ir gravitācijas konstante, ko pirmo reizi izmērīja Henrijs Kavendišs 1798. gadā.1

Šis vienādojums parāda, ka gravitācija samazinās, palielinoties attālumam r starp diviem objektiem, bet nekad pilnībā nesasniedz nulli.

Šī vienādojuma apgrieztā kvadrāta likuma būtība ir vienkārši aizraujoša. Galu galā nav nekāda iemesla, kāpēc gravitācijai būtu jādarbojas tā, kā tā darbojas. Nesakārtotā, nejaušā un mainīgā Visumā patvaļīgas pilnvaras, piemēram, r 1,97 vai r 2,3, šķiet, visticamāk. Tomēr precīzi mērījumi uzrādīja precīzu jaudu ar vismaz piecām zīmēm aiz komata 2,00000. Kā teica kāds pētnieks, šāds rezultāts šķiet "pārāk precīzs".2 Varam secināt, ka gravitācijas spēks norāda uz precīzu, radītu dizainu. Faktiski, ja grāds kaut nedaudz novirzās no 2, planētu un visa Visuma orbītas kļūtu nestabilas.

Saites un piezīmes

1. Tehniski runājot, G = 6,672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
2. Thompsen, D., "Ļoti precīzs par gravitāciju", Zinātnes ziņas 118(1):13, 1980.

Kas tad īsti ir gravitācija? Kā šis spēks spēj darboties tik plašā, tukšā telpā? Un kāpēc tas vispār pastāv? Zinātne nekad nav spējusi atbildēt uz šiem pamatjautājumiem par dabas likumiem. Pievilcības spēks nevar rasties lēnām mutāciju vai dabiskās atlases rezultātā. Tas ir spēkā kopš Visuma pirmsākumiem. Tāpat kā jebkurš cits fiziskais likums, gravitācija neapšaubāmi ir ievērojams pierādījums plānotai radīšanai.

Daži zinātnieki ir mēģinājuši izskaidrot gravitāciju, izmantojot neredzamas daļiņas, gravitonus, kas pārvietojas starp objektiem. Citi runāja par kosmiskām stīgām un gravitācijas viļņiem. Nesen zinātnieki, izmantojot speciāli izveidotu LIGO laboratoriju (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), varēja redzēt tikai gravitācijas viļņu ietekmi. Taču šo viļņu raksturs, kā fiziski objekti mijiedarbojas viens ar otru milzīgos attālumos, mainot savu priekšstatu, joprojām ir liels jautājums ikvienam. Mēs vienkārši nezinām gravitācijas spēka izcelsmi un to, kā tas uztur visa Visuma stabilitāti.

Gravitācija un Raksti

Divi Bībeles fragmenti var mums palīdzēt izprast gravitācijas būtību un fizisko zinātni kopumā. Pirmajā fragmentā Kolosiešiem 1:17 ir paskaidrots, ka Kristus "Vispirms ir, un viss ir atkarīgs no Viņa". Grieķu darbības vārds stāv (συνισταω sunistao) nozīmē: pieķerties, turēt vai turēt kopā. Šī vārda grieķu valoda ārpus Bībeles nozīmē trauks, kurā ir ūdens. Vārds, kas lietots Kolosiešu grāmatā, ir pilnīgā laikā, kas parasti norāda uz pašreizējo stāvokli, kas radies no pabeigtas pagātnes darbības. Viens no apspriežamajiem fiziskajiem mehānismiem nepārprotami ir gravitācijas spēks, ko iedibināja Radītājs un kas pastāvīgi tiek uzturēts mūsdienās. Iedomājieties: ja gravitācijas spēks uz brīdi pārtrauktu, neapšaubāmi iestāsies haoss. Visi debess ķermeņi, ieskaitot zemi, mēnesi un zvaigznes, vairs netiktu turēti kopā. Viss uzreiz sadalītos atsevišķās, mazās daļās.

Otrā Rakstu vieta, Ebrejiem 1:3, paziņo, ka Kristus "Viņš visu uztur ar sava spēka vārdu." Vārds notur (φερω pherō) atkal apraksta visu, tostarp gravitācijas, atbalstu vai saglabāšanu. Vārds notur, kā lietots šajā pantā, nozīmē daudz vairāk nekā tikai noturēt svaru. Tas ietver kontroli pār visām kustībām un izmaiņām, kas notiek Visumā. Šis bezgalīgais uzdevums tiek veikts ar visvarenā Kunga Vārda starpniecību, caur kuru sāka pastāvēt pats Visums. Gravitācija, “noslēpumains spēks”, kas joprojām ir slikti izprotams pēc četrsimt gadu ilgas izpētes, ir viena no šīm apbrīnojamajām dievišķajām rūpēm par Visumu.

Laika un telpas izkropļojumi un melnie caurumi

Einšteina vispārējā relativitātes teorija uzskata gravitāciju nevis kā spēku, bet gan kā pašas telpas izliekumu masīva objekta tuvumā. Tiek prognozēts, ka gaisma, kas tradicionāli seko taisnām līnijām, tiks saliekta, ejot cauri izliektai telpai. Pirmo reizi tas tika pierādīts, kad astronoms sers Arturs Edingtons 1919. gadā pilnīga aptumsuma laikā atklāja zvaigznes redzamā stāvokļa izmaiņas, uzskatot, ka gaismas starus saliek saules gravitācija.

Vispārējā relativitāte arī paredz, ka, ja ķermenis ir pietiekami blīvs, tā gravitācija izkropļos telpu tik ļoti, ka gaisma nevar iziet cauri tam vispār. Šāds ķermenis absorbē gaismu un visu pārējo, ko uztver tā spēcīgā gravitācija, un to sauc par Melno caurumu. Šādu ķermeni var noteikt tikai pēc tā gravitācijas ietekmes uz citiem objektiem, pēc spēcīgas gaismas lieces ap to un spēcīgā starojuma, ko izstaro uz to krītošā matērija.

Visa viela melnajā caurumā ir saspiesta centrā, kam ir bezgalīgs blīvums. Bedrītes “lielumu” nosaka notikumu horizonts, t.i. robeža, kas ieskauj melnā cauruma centru, un nekas (pat gaisma ne) nevar izkļūt aiz tā. Cauruma rādiusu sauc par Švarcšilda rādiusu vācu astronoma Kārļa Švarcšilda (1873–1916) vārdā, un to aprēķina pēc formulas RS = 2GM/c 2, kur c ir gaismas ātrums vakuumā. Ja saule iekristu melnajā caurumā, tās Švarcšilda rādiuss būtu tikai 3 km.

Ir labi pierādījumi, ka pēc tam, kad masīvai zvaigznei beidzas kodoldegviela, tā vairs nevar pretoties sabrukšanai zem sava milzīgā svara un iekrīt melnajā caurumā. Tiek uzskatīts, ka melnie caurumi ar miljardu saules masu pastāv galaktiku centros, tostarp mūsu galaktikā Piena Ceļā. Daudzi zinātnieki uzskata, ka īpaši spilgti un ļoti tālu objekti, ko sauc par kvazāriem, izmanto enerģiju, kas izdalās, matērijai iekrītot melnajā caurumā.

Saskaņā ar vispārējās relativitātes teorijas prognozēm gravitācija arī deformē laiku. To apstiprinājuši arī ļoti precīzi atompulksteņi, kas jūras līmenī darbojas dažas mikrosekundes lēnāk nekā apgabalos virs jūras līmeņa, kur Zemes gravitācija ir nedaudz vājāka. Notikumu horizonta tuvumā šī parādība ir pamanāmāka. Ja mēs vērojam astronauta pulksteni, kad viņš tuvojas notikumu horizontam, mēs redzēsim, ka pulkstenis darbojas lēnāk. Nonākot notikumu horizontā, pulkstenis apstāsies, bet mēs to nekad nevarēsim redzēt. Un otrādi, astronauts nepamanīs, ka viņa pulkstenis darbojas lēnāk, bet viņš redzēs, ka mūsu pulkstenis darbojas arvien ātrāk.

Galvenās briesmas astronautam melnā cauruma tuvumā būtu plūdmaiņu spēki, ko izraisa fakts, ka gravitācija ir spēcīgāka uz ķermeņa daļām, kas atrodas tuvāk melnajam caurumam, nekā uz daļām, kas atrodas tālāk no tā. Paisuma spēku spēks pie melnā cauruma ar zvaigznes masu ir spēcīgāks par jebkuru viesuļvētru un viegli sarauj mazos gabaliņos visu, kas viņiem nāk ceļā. Tomēr, lai gan gravitācijas pievilcība samazinās līdz ar attāluma kvadrātu (1/r 2), paisuma un paisuma ietekme samazinās līdz ar attāluma kubu (1/r 3). Tāpēc, pretēji tradicionālajai gudrībai, gravitācijas spēks (ieskaitot paisuma spēku) lielo melno caurumu notikumu horizontos ir vājāks nekā mazos melnos caurumos. Tātad plūdmaiņas spēki melnā cauruma notikumu horizontā novērojamā telpā būtu mazāk pamanāmi nekā maigākā vēsma.

Laika stiepšanās gravitācijas ietekmē netālu no notikumu horizonta ir radīšanas fiziķa Dr. Rasela Hamfrija jaunā kosmoloģiskā modeļa pamatā, ko viņš apraksta savā grāmatā Starlight and Time. Šis modelis var palīdzēt atrisināt problēmu, kā mēs varam redzēt tālu zvaigžņu gaismu jaunajā Visumā. Turklāt šodien tā ir zinātniska alternatīva ne-bībeliskajai, kas balstās uz filozofiskiem pieņēmumiem, kas pārsniedz zinātnes jomas.

Piezīme

Gravitācija, "noslēpumains spēks", kas pat pēc četrsimt gadu ilgas izpētes joprojām ir slikti izprotams...

Īzaks Ņūtons (1642–1727)

Foto: Wikipedia.org

Īzaks Ņūtons (1642–1727)

Īzaks Ņūtons publicēja savus atklājumus par gravitāciju un debess ķermeņu kustību 1687. gadā savā slavenajā darbā " Matemātiskie principi" Daži lasītāji ātri secināja, ka Ņūtona Visums neatstāj vietu Dievam, jo ​​tagad visu var izskaidrot, izmantojot vienādojumus. Bet Ņūtons tā nemaz nedomāja, kā viņš teica šī slavenā darba otrajā izdevumā:

"Mūsu skaistākā Saules sistēma, planētas un komētas var būt tikai saprātīgas un spēcīgas būtnes plāna un kundzības rezultāts."

Īzaks Ņūtons bija ne tikai zinātnieks. Papildus zinātnei viņš gandrīz visu savu dzīvi veltīja Bībeles studijām. Viņa iecienītākās Bībeles grāmatas bija Daniēla grāmata un Atklāsmes grāmata, kurās aprakstīti Dieva nākotnes plāni. Patiesībā Ņūtons rakstīja vairāk teoloģisku darbu nekā zinātnisku.

Ņūtons cienīja citus zinātniekus, piemēram, Galileo Galileju. Starp citu, Ņūtons dzimis tajā pašā gadā, kad nomira Galilejs, 1642. gadā. Ņūtons savā vēstulē rakstīja: “Ja es redzēju tālāk par citiem, tas bija tāpēc, ka es stāvēju tālāk pleciem milži." Īsi pirms savas nāves, iespējams, pārdomājot gravitācijas noslēpumu, Ņūtons pieticīgi rakstīja: "Es nezinu, kā pasaule mani uztver, bet man šķiet, ka esmu tikai zēns, kas spēlējas jūras krastā, kurš izklaidējas, ik pa laikam atrodot kādu oļu, kas krāsaināks par citiem, vai skaistu gliemežvāku, bet milzīgu okeānu. par neizpētītu patiesību."

Ņūtons ir apbedīts Vestminsteras abatijā. Uzraksts latīņu valodā uz viņa kapa beidzas ar vārdiem: "Lai mirstīgie priecājas, ka viņu vidū dzīvoja šāds cilvēces rotājums.".

Vissvarīgākā parādība, ko pastāvīgi pēta fiziķi, ir kustība. Elektromagnētiskās parādības, mehānikas likumi, termodinamiskie un kvantu procesi – tas viss ir plašs Visuma fragmentu klāsts, ko pēta fizika. Un visi šie procesi vienā vai otrā veidā nonāk līdz vienai lietai.

Viss Visumā kustas. Gravitācija ir izplatīta parādība visiem cilvēkiem kopš bērnības, mēs esam dzimuši mūsu planētas gravitācijas laukā, un mēs to uztveram visdziļākajā intuitīvā līmenī, un tas, šķiet, pat nav jāpēta.

Bet, diemžēl, jautājums ir, kāpēc un kā visi ķermeņi pievelk viens otru, joprojām nav pilnībā atklāts, lai gan tas ir plaši pētīts.

Šajā rakstā mēs apskatīsim, kas ir universālā pievilcība saskaņā ar Ņūtona - klasisko gravitācijas teoriju. Tomēr, pirms pāriet pie formulām un piemēriem, mēs runāsim par piesaistes problēmas būtību un sniegsim tai definīciju.

Varbūt gravitācijas izpēte kļuva par dabas filozofijas (zinātnes par lietu būtības izpratni) sākumu, iespējams, dabas filozofija radīja jautājumu par gravitācijas būtību, bet tā vai citādi jautājums par ķermeņu gravitāciju. sāka interesēties par seno Grieķiju.

Kustība tika saprasta kā ķermeņa maņu raksturlieluma būtība, pareizāk sakot, ķermenis kustējās, kamēr novērotājs to redz. Ja mēs nevaram izmērīt, nosvērt vai sajust parādību, vai tas nozīmē, ka šī parādība neeksistē? Protams, tas to nenozīmē. Un, tā kā Aristotelis to saprata, sākās pārdomas par gravitācijas būtību.

Kā šodien izrādās, pēc daudziem desmitiem gadsimtu gravitācija ir pamatā ne tikai gravitācijai un mūsu planētas pievilcībai, bet arī Visuma un gandrīz visu esošo elementārdaļiņu rašanās pamats.

Kustības uzdevums

Veiksim domu eksperimentu. Paņemsim nelielu bumbiņu kreisajā rokā. Ņemsim to pašu labajā pusē. Atlaidīsim pareizo bumbu, un tā sāks krist uz leju. Kreisais paliek rokā, joprojām ir nekustīgs.

Garīgi apturēsim laika ritējumu. Krītošā labā bumba “karājas” gaisā, kreisā joprojām paliek rokā. Labā bumba ir apveltīta ar kustības “enerģiju”, kreisā nav. Bet kāda ir dziļa, jēgpilna atšķirība starp tām?

Kur, kurā krītošās bumbiņas daļā ir rakstīts, ka tai jāpārvietojas? Tam ir vienāda masa, vienāds tilpums. Tam ir vienādi atomi, un tie neatšķiras no miera stāvoklī esošas bumbas atomiem. Bumba ir? Jā, šī ir pareizā atbilde, bet kā bumba zina, kam ir potenciālā enerģija, kur tā tajā ierakstīta?

Tieši šādu uzdevumu sev izvirzīja Aristotelis, Ņūtons un Alberts Einšteins. Un visi trīs izcili domātāji šo problēmu daļēji atrisināja paši, taču šodien ir virkne jautājumu, kas jārisina.

Ņūtona gravitācija

1666. gadā izcilākais angļu fiziķis un mehāniķis I. Ņūtons atklāja likumu, kas var kvantitatīvi aprēķināt spēku, kura ietekmē visa matērija Visumā tiecas viena pret otru. Šo parādību sauc par universālo gravitāciju. Kad jums tiek jautāts: "Formulējiet universālās gravitācijas likumu", jūsu atbildei vajadzētu izklausīties šādi:

Atrodas gravitācijas mijiedarbības spēks, kas veicina divu ķermeņu pievilcību tieši proporcionāli šo ķermeņu masām un apgriezti proporcionāli attālumam starp tiem.

Svarīgi!Ņūtona pievilkšanās likums izmanto terminu "attālums". Šis termins jāsaprot nevis kā attālums starp ķermeņu virsmām, bet gan kā attālums starp to smaguma centriem. Piemēram, ja divas bumbiņas ar rādiusu r1 un r2 atrodas viena virs otras, tad attālums starp to virsmām ir nulle, bet ir pievilcīgs spēks. Lieta tāda, ka attālums starp to centriem r1+r2 atšķiras no nulles. Kosmiskā mērogā šis precizējums nav svarīgs, bet satelītam orbītā šis attālums ir vienāds ar augstumu virs virsmas plus mūsu planētas rādiuss. Attālums starp Zemi un Mēnesi tiek mērīts arī kā attālums starp to centriem, nevis to virsmām.

Smaguma likuma formula ir šāda:

,

• F - pievilkšanas spēks,
• - masas,
• r – attālums,
• G – gravitācijas konstante, kas vienāda ar 6,67·10–11 m³/(kg·s²).

Kas ir svars, ja mēs paskatāmies tikai uz gravitācijas spēku?

Spēks ir vektora lielums, bet universālās gravitācijas likumā tas tradicionāli tiek rakstīts kā skalārs. Vektora attēlā likums izskatīsies šādi:

.

Bet tas nenozīmē, ka spēks ir apgriezti proporcionāls attāluma starp centriem kubam. Attiecība jāuztver kā vienības vektors, kas virzīts no viena centra uz otru:

.

Gravitācijas mijiedarbības likums

Svars un gravitācija

Ņemot vērā gravitācijas likumu, var saprast, ka tas nav pārsteidzoši, ka mēs personīgi mēs jūtam Saules gravitāciju daudz vājāku nekā Zemes. Lai gan masīvajai Saulei ir liela masa, tā atrodas ļoti tālu no mums. ir arī tālu no Saules, taču to piesaista, jo tai ir liela masa. Kā atrast divu ķermeņu gravitācijas spēku, proti, kā aprēķināt Saules, Zemes un tevis un manis gravitācijas spēku - mēs šo jautājumu aplūkosim nedaudz vēlāk.

Cik mēs zinām, gravitācijas spēks ir:

kur m ir mūsu masa un g ir Zemes brīvā kritiena paātrinājums (9,81 m/s 2).

Svarīgi! Nav divu, trīs, desmit veidu pievilcīgu spēku. Gravitācija ir vienīgais spēks, kas piešķir pievilcības kvantitatīvo raksturlielumu. Svars (P = mg) un gravitācijas spēks ir viens un tas pats.

Ja m ir mūsu masa, M ir zemeslodes masa, R ir tās rādiuss, tad gravitācijas spēks, kas iedarbojas uz mums, ir vienāds ar:

Tādējādi, tā kā F = mg:

.

Masas m tiek samazinātas, un paliek brīvā kritiena paātrinājuma izteiksme:

Kā redzam, gravitācijas paātrinājums patiešām ir nemainīga vērtība, jo tā formula ietver nemainīgus lielumus - rādiusu, Zemes masu un gravitācijas konstanti. Aizvietojot šo konstantu vērtības, mēs pārliecināmies, ka gravitācijas paātrinājums ir vienāds ar 9,81 m/s 2.

Dažādos platuma grādos planētas rādiuss ir nedaudz atšķirīgs, jo Zeme joprojām nav ideāla sfēra. Šī iemesla dēļ brīvā kritiena paātrinājums atsevišķos zemeslodes punktos ir atšķirīgs.

Atgriezīsimies pie Zemes un Saules pievilcības. Mēģināsim ar piemēru pierādīt, ka globuss pievelk tevi un mani spēcīgāk par Sauli.

Ērtības labad ņemsim cilvēka masu: m = 100 kg. Pēc tam:

• Attālums starp cilvēku un zemeslodi ir vienāds ar planētas rādiusu: R = 6,4∙10 6 m.
• Zemes masa ir: M ≈ 6∙10 24 kg.
• Saules masa ir: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
• Attālums starp mūsu planētu un Sauli (starp Sauli un cilvēku): r=15∙10 10 m.

Gravitācijas pievilcība starp cilvēku un Zemi:

Šis rezultāts ir diezgan acīmredzams no vienkāršākas svara izteiksmes (P = mg).

Gravitācijas pievilkšanās spēks starp cilvēku un Sauli:

Kā redzam, mūsu planēta mūs pievelk gandrīz 2000 reižu spēcīgāk.

Kā atrast pievilkšanās spēku starp Zemi un Sauli? šādi:

Tagad mēs redzam, ka Saule piesaista mūsu planētu vairāk nekā miljardu miljardu reižu spēcīgāk nekā planēta piesaista jūs un mani.

Pirmais bēgšanas ātrums

Pēc tam, kad Īzaks Ņūtons atklāja universālās gravitācijas likumu, viņš sāka interesēties par to, cik ātri ir jāmet ķermenis, lai tas, pārvarējis gravitācijas lauku, uz visiem laikiem atstātu zemeslodi.

Tiesa, viņš to iztēlojās nedaudz savādāk, viņa izpratnē tā bija nevis vertikāli stāvoša raķete, kas tēmēta pret debesīm, bet gan ķermenis, kas horizontāli veica lēcienu no kalna virsotnes. Šī bija loģiska ilustrācija, jo Kalna virsotnē gravitācijas spēks ir nedaudz mazāks.

Tātad Everesta virsotnē gravitācijas paātrinājums būs nevis ierastais 9,8 m/s 2, bet gan gandrīz m/s 2. Tieši šī iemesla dēļ gaiss tur ir tik plāns, ka gaisa daļiņas vairs nav tik piesaistītas gravitācijai kā tās, kas “nokrita” uz virsmas.

Mēģināsim noskaidrot, kāds ir bēgšanas ātrums.

Pirmais bēgšanas ātrums v1 ir ātrums, ar kādu ķermenis atstāj Zemes (vai citas planētas) virsmu un ieiet apļveida orbītā.

Mēģināsim noskaidrot šīs vērtības skaitlisko vērtību mūsu planētai.

Pierakstīsim otro Ņūtona likumu ķermenim, kas griežas ap planētu apļveida orbītā:

,

kur h ir ķermeņa augstums virs virsmas, R ir Zemes rādiuss.

Orbītā ķermenis ir pakļauts centrbēdzes paātrinājumam, tādējādi:

.

Masas tiek samazinātas, mēs iegūstam:

,

Šo ātrumu sauc par pirmo evakuācijas ātrumu:

Kā redzat, bēgšanas ātrums ir absolūti neatkarīgs no ķermeņa masas. Tādējādi jebkurš objekts, kas paātrinās līdz 7,9 km/s, pametīs mūsu planētu un nokļūs tās orbītā.

Pirmais bēgšanas ātrums

Otrais bēgšanas ātrums

Tomēr, pat paātrinot ķermeni līdz pirmajam bēgšanas ātrumam, mēs nevarēsim pilnībā pārtraukt tā gravitācijas savienojumu ar Zemi. Tāpēc mums ir nepieciešams otrs evakuācijas ātrums. Kad šis ātrums ir sasniegts, ķermenis atstāj planētas gravitācijas lauku un visas iespējamās slēgtās orbītas.

Svarīgi! Nereti maldīgi tiek uzskatīts, ka, lai nokļūtu uz Mēness, astronautiem bija jāsasniedz otrais bēgšanas ātrums, jo vispirms vajadzēja “atslēgties” no planētas gravitācijas lauka. Tas tā nav: Zemes un Mēness pāris atrodas Zemes gravitācijas laukā. Viņu kopējais smaguma centrs atrodas zemeslodes iekšpusē.

Lai atrastu šo ātrumu, uzdosim problēmu nedaudz savādāk. Pieņemsim, ka ķermenis lido no bezgalības uz planētu. Jautājums: kāds ātrums tiks sasniegts uz virsmas nolaižoties (protams, neņemot vērā atmosfēru)? Tas ir tieši tāds ātrums ķermenim būs jāatstāj planēta.

Universālās gravitācijas likums. Fizika 9. klase

Universālās gravitācijas likums.

Secinājums

Mēs uzzinājām, ka, lai gan gravitācija ir galvenais spēks Visumā, daudzi šīs parādības iemesli joprojām ir noslēpums. Mēs uzzinājām, kas ir Ņūtona universālās gravitācijas spēks, iemācījāmies to aprēķināt dažādiem ķermeņiem, kā arī pētījām dažas noderīgas sekas, kas izriet no tādas parādības kā universālais gravitācijas likums.