Ne samo najmisterioznije sile prirode ali i najmoćniji.

Čovek na putu napredovanja

Istorijski gledano, bilo je čovjek dok se krećete napred putevi napretka ovladao sve snažnijim silama prirode. Počeo je kada nije imao ništa osim štapa u šaci i vlastite fizičke snage.

Ali bio je mudar i donio je fizičku snagu životinja u svoju službu, čineći ih domaćim. Konj je ubrzao svoj trk, kamila je pustinju učinila prohodnom, slon močvarnu džunglu. Ali fizičke snage čak i najjačih životinja su nemjerljivo male u odnosu na sile prirode.

Prva osoba je pokorila element vatre, ali samo u njegovim najoslabljenijim verzijama. U početku - dugi niz stoljeća - koristio je samo drvo kao gorivo - vrlo nisko-energetski intenzivan tip goriva. Nešto kasnije naučio je da koristi energiju vjetra iz ovog izvora energije, čovjek je podigao bijelo krilo jedra u zrak - i lagani brod je preletio poput ptice iznad valova.

Jedrilica na valovima

Izložio je oštrice vjetrenjače naletima vjetra - i teško kamenje mlinskog kamenja se okretalo, tučak krupe zveckao. Ali svima je jasno da energija vazdušnih mlaznica daleko od toga da je koncentrisana. Osim toga, i jedro i vjetrenjača su se bojali udara vjetra: oluja je pokidala jedra i potopila brodove, oluja je slomila krila i prevrnula mlinove.

Čak i kasnije, čovek je počeo da osvaja vodu koja teče. Točak nije samo najprimitivniji uređaj koji može pretvoriti energiju vode u rotacijsko kretanje, već je i najslabiji u odnosu na razne.

Čovjek je išao naprijed na ljestvici napretka i trebalo mu je sve više energije.
Počeo je koristiti nove vrste goriva - već je prelazak na sagorijevanje uglja povećao energetski intenzitet kilograma goriva sa 2500 kcal na 7000 kcal - gotovo tri puta. Onda je došlo vrijeme za naftu i gas. Ponovo se energetski sadržaj svakog kilograma fosilnih goriva povećao za jedan i po do dva puta.

Parne mašine su zamijenjene parnim turbinama; mlinski točkovi su zamenjeni hidrauličnim turbinama. Tada je čovjek pružio ruku prema fisivnom atomu uranijuma. Međutim, prvo korištenje nove vrste energije imalo je tragične posljedice - nuklearni plamen Hirošime 1945. godine spalio je 70 hiljada ljudskih srca u roku od nekoliko minuta.

Godine 1954. prvi sovjetski na svijetu nuklearna elektrana, koji je snagu uranijuma pretvorio u zračenje električne struje. I treba napomenuti da kilogram uranijuma sadrži dva miliona puta više energije od kilograma najbolje nafte.

Bila je to fundamentalno nova vatra, koja bi se mogla nazvati fizičkom, jer su fizičari proučavali procese koji dovode do rađanja tako nevjerovatnih količina energije.
Uranijum nije jedino nuklearno gorivo. Već se koristi snažnija vrsta goriva - izotopi vodonika.

Nažalost, čovjek još nije bio u stanju savladati atomski plamen vodika i helijuma. On zna kako na trenutak zapaliti svoju goruću vatru, zapaliti reakciju hidrogenska bomba eksplozija uranijuma. Ali sve bliže i bliže, naučnici vide vodonični reaktor, koji će generisati električnu struju kao rezultat fuzije jezgri izotopa vodika u jezgra helijuma.

Opet, količina energije koju čovjek može uzeti iz svakog kilograma goriva povećat će se gotovo deset puta. Ali hoće li ovaj korak biti posljednji u nadolazećoj historiji ljudske moći nad silama prirode?

Ne! Napred - ovladavanje gravitacionim oblikom energije. Priroda je još razboritije upakovana nego čak i energija fuzije vodika i helijuma. Danas je to najkoncentriraniji oblik energije o kojem čovjek može i pretpostaviti.

Ništa dalje se tu još ne vidi, izvan oštrice nauke. I iako sa sigurnošću možemo reći da će elektrane raditi za čovjeka, prerađujući gravitacijsku energiju u električnu struju (ili možda u mlaz plina koji izlijeće iz mlaznice mlaznog motora, ili u planiranu transformaciju sveprisutnih atoma silicija i kisika u atome ultra retkih metala), još ne možemo ništa reći o detaljima takve elektrane (raketni motor, fizički reaktor).

Sila univerzalne gravitacije u izvorima rođenja galaksija

Sila univerzalne gravitacije je izvor rođenja galaksija iz predzvjezdane materije, kako je uvjeren akademik V. A. Ambartsumyan. Također gasi zvijezde koje su potrošile svoje vrijeme, potrošivši zvjezdano gorivo koje im je dodijeljeno rođenjem.

Da, pogledajte oko sebe: sve na Zemlji je u velikoj mjeri kontrolisano od strane ove sile.

Ona je ta koja određuje slojevitu strukturu naše planete - izmjenu litosfere, hidrosfere i atmosfere. Ona je ta koja drži debeli sloj vazdušnih gasova, na čijem dnu i zahvaljujući kojima svi postojimo.

Da nije bilo gravitacije, Zemlja bi se odmah izbila iz svoje orbite oko Sunca, a sam globus bi se raspao, rastrgan centrifugalnim silama. Teško je pronaći nešto što ne bi, u ovom ili onom stepenu, zavisilo od sile univerzalne gravitacije.

Naravno, antički filozofi, vrlo pažljivi ljudi, nisu mogli ne primijetiti da se kamen bačen uvis uvijek vraća. Platon je u 4. veku pre nove ere to objasnio činjenicom da sve supstance univerzuma teže tamo gde je koncentrisana većina sličnih supstanci: bačeni kamen pada na zemlju ili odlazi na dno, prosuta voda prodire u najbližu baru ili u rijeku koja se probija do mora, dim vatre juri na srodne oblake.

Platonov učenik, Aristotel, pojasnio je da sva tijela imaju posebna svojstva težine i lakoće. Teška tijela - kamenje, metali - jure u centar svemira, svjetlost - vatra, dim, pare - na periferiju. Ova hipoteza, koja objašnjava neke od fenomena povezanih sa silom univerzalne gravitacije, postoji više od 2 hiljade godina.

Naučnici o sili gravitacije

Vjerovatno prvi koji je postavio pitanje sila gravitacije zaista naučni, bio je genije renesanse - Leonardo da Vinči. Leonardo je proglasio da gravitacija nije karakteristična samo za Zemlju, da postoji mnogo centara gravitacije. Takođe je sugerisao da sila gravitacije zavisi od udaljenosti do centra gravitacije.

Radovi Kopernika, Galilea, Keplera, Roberta Hookea sve su više približavali ideju zakona univerzalne gravitacije, ali je u konačnoj formulaciji ovaj zakon zauvijek povezan s imenom Isaka Newtona.

Isaac Newton o sili gravitacije

Rođen 4. januara 1643. Diplomirao je na Univerzitetu u Kembridžu, postao diplomirani, zatim - magistar nauka.

Isaac Newton

Sve ostalo je beskrajno bogatstvo naučni radovi. Ali njegovo glavno djelo su "Matematički principi prirodne filozofije", objavljeni 1687. i obično nazvani jednostavno "Počeci". U njima je formulisano veliko. Vjerovatno ga se svi sjećaju iz srednje škole.

Sva tijela se privlače jedno prema drugom silom koja je direktno proporcionalna proizvodu masa ovih tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih...

Neke odredbe ove formulacije mogli su predvidjeti Newtonovi prethodnici, ali ona još nikome nije data u cijelosti. Njutnov genij je bio potreban da se ti fragmenti sastave u jednu celinu kako bi se privlačnost Zemlje proširila na Mesec, a Sunca - na ceo planetarni sistem.

Iz zakona univerzalne gravitacije, Newton je izveo sve zakone kretanja planeta, koje je prije otkrio Kepler. One su jednostavno bile njegove posljedice. Štaviše, Newton je pokazao da su ne samo Keplerovi zakoni, već i odstupanja od ovih zakona (u svijetu tri ili više tijela) rezultat univerzalne gravitacije... Ovo je bio veliki trijumf nauke.

Činilo se da je konačno otkrivena i matematički opisana glavna sila prirode, koja pokreće svjetove, sila kojoj su podložni molekuli zraka, jabuke i Sunca. Džinovski, neizmjerno ogroman bio je korak koji je napravio Newton.

Prvi popularizator radova briljantnog naučnika francuski pisac François Marie Arouet, svjetski poznat pod pseudonimom Voltaire, rekao je da je Newton iznenada pogodio postojanje zakona nazvanog po njemu kada je pogledao jabuku koja pada.

Sam Njutn nikada nije spomenuo ovu jabuku. I teško da je vrijedno gubiti vrijeme danas na opovrgavanje ove lijepe legende. I, očigledno, do razumevanja velika snaga priroda Newton je došao logičkim rasuđivanjem. Vjerovatno je uvršten u odgovarajuće poglavlje "Počeci".

Sila gravitacije utiče na let jezgra

Pretpostavimo da je to vrlo visoka planina, toliko visoko da je njegov vrh već izvan atmosfere, postavili smo džinovsku artiljerijsku jedinicu. Njegova cijev bila je postavljena striktno paralelno s površinom globusa i ispaljena. Opisivanje luka jezgro pada na zemlju.

Povećavamo punjenje, poboljšavamo kvalitet baruta, na ovaj ili onaj način tjeramo jezgro da se kreće većom brzinom nakon sljedećeg hica. Luk koji opisuje jezgro postaje ravniji. Jezgro pada mnogo dalje od podnožja naše planine.

Takođe povećavamo naboj i pucamo. Jezgro leti tako blagom putanjom da se spušta paralelno sa površinom globusa. Jezgro više ne može pasti na Zemlju: istom brzinom kojom pada, Zemlja izlazi ispod njega. I, nakon što je opisao prsten oko naše planete, jezgro se vraća na polaznu tačku.

Pištolj se u međuvremenu može ukloniti. Na kraju krajeva, let jezgra oko svijeta trajat će više od sat vremena. A onda će jezgro brzo preći preko vrha planine i otići u novi krug oko Zemlje. Pad, ako, kao što smo se dogovorili, jezgro ne doživi nikakav otpor vazduha, nikada neće moći.

Osnovna brzina za ovo bi trebala biti blizu 8 km/sec. A ako povećate brzinu leta jezgre? Prvo će letjeti u luku, nježnijem od zakrivljenosti zemljine površine, i početi da se udaljava od Zemlje. Istovremeno će se njegova brzina pod utjecajem Zemljine gravitacije smanjiti.

I, konačno, okrećući se, počet će, takoreći, da pada nazad na Zemlju, ali će proletjeti pored nje i više neće završiti krug, već elipsu. Jezgro će se kretati oko Zemlje na potpuno isti način kao što se Zemlja kreće oko Sunca, naime, duž elipse, u čijem će se jednom od fokusa nalaziti centar naše planete.

Ako dodatno povećamo početnu brzinu jezgra, ispostavit će se da je elipsa više rastegnuta. Ovu elipsu je moguće rastegnuti na način da jezgro stigne do lunarne orbite ili čak mnogo dalje. Ali sve dok početna brzina ovog jezgra ne pređe 11,2 km/s, ono će ostati satelit Zemlje.

Jezgro, koje je pri ispaljivanju dobilo brzinu od preko 11,2 km/s, zauvijek će odletjeti od Zemlje po paraboličnoj putanji. Ako je elipsa zatvorena kriva, onda je parabola kriva koja ima dvije grane koje idu u beskonačnost. Krećući se duž elipse, ma koliko ona bila izdužena, neminovno ćemo se sistematski vraćati na početnu tačku. Krećući se po paraboli, nikada se nećemo vratiti na početnu tačku.

Ali, napustivši Zemlju ovom brzinom, jezgro još neće moći letjeti u beskonačnost. Snažna gravitacija Sunca će savijati putanju svog leta, zatvarajući se oko sebe poput putanje planete. Jezgro će postati Zemljina sestra, mala planeta u našoj porodici planeta.

Da bi se jezgro usmerilo van planetarnog sistema, da bi se savladala solarna privlačnost, potrebno mu je reći brzinu veću od 16,7 km/s, i usmeriti ga tako da se brzina primeni na ovu brzinu sopstveno kretanje Zemlja.

Brzina od oko 8 km/s (ova brzina zavisi od visine planine sa koje puca naša puška) naziva se kružna brzina, brzine od 8 do 11,2 km/s su eliptične, od 11,2 do 16,7 km/s su parabolične, a iznad ovog broja - oslobađajuće brzine.

Ovdje treba dodati da date vrijednosti ovih brzina vrijede samo za Zemlju. Da živimo na Marsu, kružnu brzinu bi nam bilo mnogo lakše postići – ona je tamo samo oko 3,6 km/s, a parabolična je tek nešto veća od 5 km/s.

S druge strane, bilo bi mnogo teže poslati jezgro na svemirski let sa Jupitera nego sa Zemlje: kružna brzina na ovoj planeti je 42,2 km/s, a parabolična čak 61,8 km/s!

Stanovnicima Sunca bi bilo najteže da napuste svoj svijet (ako bi, naravno, takav mogao postojati). Kružna brzina ovog giganta trebala bi biti 437,6, a brzina razdvajanja - 618,8 km / s!

Tako je Njutn krajem 17. veka, sto godina pre prvog leta ispunjen toplim vazduhom balon na topli vazduh Braća Montgolfier, dvije stotine godina prije prvih letova aviona braće Wright i skoro četvrt milenijuma prije nego što su prve rakete s tekućim poletjele, pokazivale su put do neba za satelite i svemirske letjelice.

Sila gravitacije je svojstvena svakoj sferi

Korišćenjem zakon gravitacije otkrivene su nepoznate planete, stvorene su kosmogonijske hipoteze o nastanku Sunčevog sistema. Otkrivena je i matematički opisana glavna sila prirode koja kontroliše zvijezde, planete, jabuke u vrtu i molekule plina u atmosferi.

Ali mi ne poznajemo mehanizam univerzalne gravitacije. Njutnova gravitacija ne objašnjava, već vizualizuje stanje tehnike planetarna kretanja.

Ne znamo šta uzrokuje interakciju svih tijela Univerzuma. I ne može se reći da Newton nije bio zainteresovan za ovaj razlog. Dugi niz godina razmišljao je o njegovom mogućem mehanizmu.

Inače, ovo je zaista izuzetno misteriozna moć. Sila koja se manifestuje kroz stotine miliona kilometara prostora, na prvi pogled lišenog ikakvih materijalnih formacija, uz pomoć koje bi se mogao objasniti transfer interakcije.

Newtonove hipoteze

I newton pribegli hipoteza o postojanju određenog etra koji navodno ispunjava čitav Univerzum. Godine 1675. objasnio je privlačnost Zemlji činjenicom da eter koji ispunjava cijeli Univerzum juri ka središtu Zemlje u neprekidnim tokovima, hvatajući sve objekte u tom kretanju i stvarajući gravitacijsku silu. Isti tok etra juri ka Suncu i, vukući planete, komete, osigurava njihove eliptične putanje...

To nije bila baš uvjerljiva, iako apsolutno matematički logična hipoteza. Ali sada, 1679. godine, Newton je stvorio novu hipotezu koja objašnjava mehanizam gravitacije. Ovog puta on obdaruje eter svojstvom da ima različitu koncentraciju u blizini planeta i daleko od njih. Što je dalje od centra planete, to je navodno gušći etar. I ima svojstvo da istiskuje sva materijalna tijela iz njihovih gušćih slojeva u manje gusta. I sva tijela su istisnuta na površinu Zemlje.

Godine 1706. Njutn oštro poriče samo postojanje etra. Godine 1717. ponovo se vraća hipotezi o istiskivanju etra.

Njutnov genijalni mozak borio se oko traga velika misterija i nisam ga našao. To objašnjava tako oštro bacanje s jedne na drugu stranu. Newton je govorio:

Ne postavljam hipoteze.

I premda, kao što smo tek uspjeli provjeriti, to nije sasvim tačno, definitivno možemo reći nešto drugo: Newton je mogao jasno razlikovati stvari koje su neosporne od nestabilnih i kontroverznih hipoteza. I u Elementima postoji formula velikog zakona, ali nema pokušaja da se objasni njegov mehanizam.
Veliki fizičar zaveštao je ovu zagonetku čoveku budućnosti. Umro je 1727.
Ni danas nije riješeno.

Rasprava o fizičkoj suštini Njutnovog zakona trajala je dva veka. I možda se ova rasprava ne bi ticala same suštine zakona, da je tačno odgovorio na sva pitanja koja su mu postavljena.

Ali činjenica je da se vremenom pokazalo da ovaj zakon nije univerzalan. Da ima slučajeva kada ne može da objasni ovu ili onu pojavu. Navedimo primjere.

Sila gravitacije u Seeligerovim proračunima

Prvi od njih je Seeligerov paradoks. Smatrajući da je Univerzum beskonačan i jednolično ispunjen materijom, Seeliger je pokušao izračunati, prema Newtonovom zakonu, univerzalnu gravitacijsku silu koju stvara čitavo beskonačno velika masa beskonačan univerzum u nekom trenutku u njemu.

To nije bio lak zadatak sa stanovišta čiste matematike. Savladavši sve poteškoće najsloženijih transformacija, Seeliger je otkrio da je željena sila univerzalne gravitacije proporcionalna polumjeru svemira. A pošto je ovaj radijus jednak beskonačnosti, onda gravitaciona sila mora biti beskonačno velika. Međutim, mi to ne vidimo u praksi. To znači da zakon univerzalne gravitacije ne važi za ceo univerzum.

Međutim, moguća su i druga objašnjenja paradoksa. Na primjer, možemo pretpostaviti da materija ne ispunjava ravnomjerno cijeli Univerzum, već se njena gustoća postepeno smanjuje i, konačno, negdje vrlo daleko nema materije. Ali zamisliti takvu sliku znači priznati mogućnost postojanja prostora bez materije, što je općenito apsurdno.

Možemo pretpostaviti da sila gravitacije slabi brže nego što raste kvadrat udaljenosti. Ali to dovodi u sumnju iznenađujući sklad Newtonovog zakona. Ne, i ovo objašnjenje nije zadovoljilo naučnike. Paradoks je ostao paradoks.

Zapažanja kretanja Merkura

Još jedna činjenica, djelovanje sile univerzalne gravitacije, koje nije objašnjeno Newtonovim zakonom, donijelo je posmatranje kretanja Merkura- najbliže planeti. Tačni proračuni prema Newtonovom zakonu pokazali su da bi se perehel - tačka elipse duž koje se Merkur kreće najbliže Suncu - trebao pomjeriti za 531 lučnu sekundu u 100 godina.

A astronomi su otkrili da je ovaj pomak jednak 573 lučne sekunde. Ovaj višak - 42 lučne sekunde - takođe naučnici nisu mogli da objasne, koristeći samo formule koje proizilaze iz Newtonovog zakona.

Objasnio je i Seeligerov paradoks, i pomicanje Merkurovog perheliona, i mnoge druge paradoksalne fenomene i neobjašnjive činjenice Albert Einstein, jedan od najvećih, ako ne i najveći veliki fizičar svih vremena i naroda. Među dosadnim sitnicama bilo je i pitanje eterični vjetar.

Eksperimenti Alberta Michelsona

Činilo se da se ovo pitanje ne tiče direktno problema gravitacije. On se odnosio na optiku, na svjetlo. Tačnije, na definiciju njegove brzine.

Danski astronom bio je prvi koji je odredio brzinu svjetlosti. Olaf Remer posmatrajući pomračenje Jupiterovih meseca. To se dogodilo već 1675. godine.

američki fizičar Albert Michelson in kasno XVIII veka, sproveo je niz određivanja brzine svetlosti u zemaljskim uslovima, koristeći aparat koji je dizajnirao.

Godine 1927. dao je brzinu svjetlosti kao 299796 + 4 km/s, što je bila odlična tačnost za ono vrijeme. Ali suština stvari je drugačija. Godine 1880. odlučio je da istraži eterični vjetar. Želio je da konačno utvrdi postojanje upravo tog etra, čijim prisustvom su pokušali da objasne i prenos gravitacione interakcije i prenos svetlosnih talasa.

Majklson je verovatno bio najistaknutiji eksperimentator svog vremena. Imao je odličnu opremu. I bio je gotovo siguran u uspjeh.

Suština iskustva

Iskustvo zamišljeno je ovako. Zemlja se kreće u svojoj orbiti brzinom od oko 30 km/sec.. Kreće se kroz vazduh. To znači da brzina svjetlosti iz izvora koji je ispred prijemnika u odnosu na kretanje Zemlje mora biti veća nego iz izvora koji je na drugoj strani. U prvom slučaju, brzina eteričnog vjetra mora se dodati brzini svjetlosti; u drugom slučaju, brzina svjetlosti se mora smanjiti za ovu vrijednost.

Naravno, brzina Zemlje u njenoj orbiti oko Sunca je samo desethiljaditi dio brzine svjetlosti. Pronaći tako mali pojam je vrlo teško, ali Michelsona su s razlogom nazivali kraljem preciznosti. Koristio je genijalan način da uhvati "neuhvatljivu" razliku u brzinama zraka svjetlosti.

Podijelio je snop na dva jednaka toka i usmjerio ih u međusobno okomitim smjerovima: duž meridijana i duž paralele. Odbijeni od ogledala, zraci su se vratili. Da je snop koji ide paralelno iskusio uticaj eteričnog vetra, kada bi se dodao meridijalnom snopu, trebalo bi da se pojave interferencijske resice, talasi dva snopa bi bili pomereni u fazi.

Međutim, Michelsonu je bilo teško izmjeriti putanje oba zraka s tako velikom preciznošću, tako da su one bile potpuno iste. Stoga je napravio aparat tako da nije bilo smetnji, a zatim ga okrenuo za 90 stepeni.

Meridijanski snop je postao širinski i obrnuto. Ako je eterični vjetar, ispod okulara bi se trebale pojaviti crne i svijetle pruge! Ali nisu. Možda, kada je okrenuo uređaj, naučnik ga je pomerio.

Postavio ga je u podne i popravio. Na kraju krajeva, osim što se rotira i oko svoje ose. I tako unutra drugačije vrijeme dana, širinski snop zauzima drugačiji položaj u odnosu na nadolazeći eterični vjetar. Sada, kada je aparat striktno nepomičan, može se uvjeriti u tačnost eksperimenta.

Opet nije bilo smetnji. Eksperiment je izveden mnogo puta, i Michelson, a s njim i svi fizičari tog vremena, bili su zadivljeni. Eterični vetar nije detektovan! Svjetlost je putovala u svim smjerovima istom brzinom!

Ovo niko nije uspeo da objasni. Michelson je ponavljao eksperiment iznova i iznova, poboljšao opremu i na kraju postigao gotovo nevjerovatnu tačnost mjerenja, red veličine veću nego što je bilo potrebno za uspjeh eksperimenta. I opet ništa!

Eksperimenti Alberta Ajnštajna

Sljedeći veliki korak in poznavanje sile gravitacije učinio Albert Einstein.
Alberta Ajnštajna su jednom pitali:

Kako ste došli do svoje specijalne teorije relativnosti? Pod kojim okolnostima ste došli na briljantnu ideju? Naučnik je odgovorio: „Uvek mi se činilo da je to tako.

Možda nije želio da bude iskren, možda je htio da se riješi dosadnog sagovornika. Ali teško je zamisliti da je Einsteinova ideja o vezama između vremena, prostora i brzine bila urođena.

Ne, naravno, u početku je postojao predosjećaj, sjajan kao munja. Tada je počeo razvoj. Ne, nema kontradikcija sa poznatim pojavama. A onda se pojavilo onih pet stranica punih formula, koje su objavljene u fizičkom časopisu. Stranice koje su otvorile novu eru u fizici.

Zamislite svemirski brod koji leti kroz svemir. Odmah ćemo vas upozoriti: zvjezdani brod je vrlo neobičan, onaj o kojem govorite fantazijske priče nije čitao. Dužina mu je 300 hiljada kilometara, a brzina, recimo, 240 hiljada km/s. I ovaj svemirski brod leti pored jedne od međuplatforma u svemiru, bez zaustavljanja na njoj. Punom brzinom.

Jedan od putnika stoji na palubi zvjezdanog broda sa satom. A ti i ja, čitaoče, stojimo na platformi - njena dužina mora odgovarati veličini zvjezdanog broda, odnosno 300 hiljada kilometara, inače se neće moći zalijepiti za nju. A imamo i sat u rukama.

Primjećujemo da je u trenutku kada je pramac zvjezdanog broda sustigao zadnju ivicu naše platforme, na njoj bljesnuo fenjer koji je obasjavao prostor koji ga okružuje. Sekundu kasnije, snop svjetlosti stigao je do prednje ivice naše platforme. U to ne sumnjamo, jer znamo brzinu svjetlosti i uspjeli smo tačno odrediti odgovarajući trenutak na satu. I na zvjezdanom brodu...

Ali zvjezdani brod je također poletio prema snopu svjetlosti. I sasvim sigurno smo vidjeli da mu je svjetlo obasjalo krmu u trenutku kada se nalazila negdje na sredini platforme. Definitivno smo vidjeli da snop svjetlosti nije prešao 300 hiljada kilometara od pramca do krme broda.

Ali putnici na palubi zvjezdanog broda sigurni su u nešto drugo. Sigurni su da je njihov snop prešao čitavu udaljenost od pramca do krme od 300 hiljada kilometara. Na kraju krajeva, potrošio je čitavu sekundu na to. I oni su to apsolutno precizno zabilježili na svojim satovima. A kako bi drugačije: na kraju krajeva, brzina svjetlosti ne ovisi o brzini izvora ...

Kako to? Jednu stvar vidimo sa fiksne platforme, a drugu njima na palubi zvjezdanog broda? Sta je bilo?

Ajnštajnova teorija relativnosti

Treba odmah napomenuti: Ajnštajnova teorija relativnosti na prvi pogled, apsolutno je u suprotnosti s našom utvrđenom idejom o strukturi svijeta. Možemo reći da je u suprotnosti i sa zdravim razumom, kako smo ga navikli predstavljati. To se desilo mnogo puta u istoriji nauke.

Ali otkriće sferičnosti Zemlje bilo je u suprotnosti sa zdravim razumom. Kako ljudi mogu da žive na suprotnoj strani i da ne padnu u provaliju?

Za nas je sferičnost Zemlje nesumnjiva činjenica, a sa stanovišta zdravog razuma, svaka druga pretpostavka je besmislena i divlja. Ali odmaknite se od svog vremena, zamislite prvo pojavljivanje ove ideje i shvatićete koliko bi bilo teško prihvatiti je.

Pa, je li bilo lakše priznati da Zemlja nije nepomična, već da leti svojom putanjom desetine puta brže od topovske kugle?

Sve su to bile olupine zdravog razuma. Stoga ga savremeni fizičari nikada ne pominju.

Sada se vratimo na specijalnu teoriju relativnosti. Svijet ju je prvi put prepoznao 1905. godine iz članka koji je malo tko potpisao poznato ime- Albert Einstein. A on je tada imao samo 26 godina.

Ajnštajn je iz ovog paradoksa napravio vrlo jednostavnu i logičnu pretpostavku: sa tačke gledišta posmatrača na platformi, u automobilu u pokretu je prošlo manje vremena nego što je izmerio vaš ručni sat. U kolima je protok vremena usporen u odnosu na vrijeme na stacionarnoj platformi.

Iz ove pretpostavke logično su slijedile prilično nevjerovatne stvari. Ispostavilo se da osoba koja putuje na posao u tramvaju, u poređenju sa pješakom koji ide istim putem, ne samo da štedi vrijeme zbog brzine, već mu to ide i sporije.

Međutim, ne pokušavajte da sačuvate večnu mladost na ovaj način: čak i ako postanete kočijaš i provedete trećinu svog života u tramvaju, za 30 godina teško da ćete dobiti preko milion djelić sekunde. Da bi dobitak u vremenu postao primjetan, potrebno je kretati se brzinom bliskom brzini svjetlosti.

Ispada da se povećanje brzine tijela odražava u njihovoj masi. Što je brzina tijela bliža brzini svjetlosti, to je veća njegova masa. Brzinom tijela jednakom brzini svjetlosti, njegova masa je jednaka beskonačnosti, odnosno veća je od mase Zemlje, Sunca, Galaksije, cijelog našeg Univerzuma... Toliko je masa može se koncentrirati u jednostavnoj kaldrmi, ubrzavajući je do brzine
Sveta!

Ovo nameće ograničenje koje ne dozvoljava nijednom materijalnom tijelu da razvije brzinu jednaku brzini svjetlosti. Uostalom, kako masa raste, postaje je sve teže raspršiti. A beskonačnu masu ne može pomeriti nijedna sila.

Međutim, priroda je napravila veoma važan izuzetak od ovog zakona za čitavu klasu čestica. Na primjer, za fotone. Mogu se kretati brzinom svjetlosti. Tačnije, ne mogu se kretati bilo kojom drugom brzinom. Nezamislivo je zamisliti nepomični foton.

Kada miruje, nema masu. Također, neutrini nemaju masu mirovanja, a osuđeni su i na vječni neobuzdani let kroz svemir maksimalnom mogućom brzinom u našem Univerzumu, bez prestizanja svjetlosti i praćenja njome.

Nije li istina da je svaka od nas navedenih posljedica specijalne teorije relativnosti iznenađujuća, paradoksalna! I svaki je, naravno, u suprotnosti sa "zdravim razumom"!

Ali evo šta je interesantno: ne u svom konkretnom obliku, već kao širokom filozofskom stanovištu, sve ove zadivljujuće posledice predvideli su osnivači dijalektičkog materijalizma. Šta govore ove implikacije? O vezama koje međusobno povezuju energiju i masu, masu i brzinu, brzinu i vrijeme, brzinu i dužinu objekta koji se kreće...

Ajnštajnovo otkriće međuzavisnosti, poput cementa (više:), povezujući zajedno armaturu, ili kamen temeljac, povezalo je stvari i pojave koje su ranije izgledale nezavisno jedna od druge i stvorilo temelj na kome je po prvi put u istoriji nauke bilo moguće izgraditi skladan objekat. Ova zgrada predstavlja način na koji funkcioniše naš univerzum.

Ali prvo, barem nekoliko riječi o općoj teoriji relativnosti, koju je također stvorio Albert Einstein.

Albert Einstein

Ovaj naziv - opća teorija relativnosti - ne odgovara sasvim sadržaju teorije o kojoj će biti riječi. Uspostavlja međuzavisnost između prostora i materije. Očigledno bi bilo ispravnije nazvati to prostorno-vremena teorija, ili teorija gravitacije.

Ali ovo ime je toliko sraslo sa Ajnštajnovom teorijom da se mnogim naučnicima čini nepristojnim čak i postavljanje pitanja njegove zamene.

Opća teorija relativnosti utvrdila je međuzavisnost između materije i vremena i prostora koji je sadrže. Pokazalo se da prostor i vrijeme ne samo da se ne mogu zamisliti odvojeno od materije, već njihova svojstva zavise i od materije koja ih ispunjava.

Polazna tačka diskusije

Dakle, može se samo specificirati polazna tačka diskusije i izvući neke važne zaključke.

Na početku Svemirsko putovanje neočekivana katastrofa uništila je biblioteku, filmski fond i druga spremišta uma, uspomene na ljude koji su letjeli svemirom. A priroda rodne planete se zaboravlja u smjeni vjekova. Čak je i zakon univerzalne gravitacije zaboravljen, jer raketa leti u međugalaktičkom prostoru, gdje se gotovo i ne osjeća.

Međutim, brodski motori rade vrhunski, zaliha energije u baterijama je praktički neograničena. Većinu vremena brod se kreće po inerciji, a njegovi stanovnici navikli su na bestežinsko stanje. Ali ponekad upale motore i usporavaju ili ubrzavaju kretanje broda. Kada mlazne mlaznice buknu u prazninu bezbojnim plamenom i brod se kreće ubrzano, stanovnici osjećaju da im tijela postaju teška, prisiljeni su hodati oko broda, a ne letjeti hodnicima.

A sada je let blizu završetka. Brod leti do jedne od zvijezda i pada u orbite najpogodnije planete. Zvjezdani brodovi izlaze, hodaju po svježem zelenom tlu, neprestano doživljavajući isti osjećaj težine, poznat iz vremena kada se brod kretao ubrzanim tempom.

Ali planeta se kreće ravnomjerno. Ne može da leti prema njima sa konstantnim ubrzanjem od 9,8 m/s2! I oni imaju prvu pretpostavku da gravitaciono polje (gravitaciona sila) i ubrzanje daju isti efekat, a možda imaju i zajedničku prirodu.

Niko od naših zemaljskih savremenika nije bio na tako dugom letu, ali su mnogi ljudi osjetili fenomen “uteganja” i “olakšavanja” svojih tijela. Već običan lift, kada se kreće ubrzanim tempom, stvara ovaj osjećaj. Prilikom spuštanja osjećate nagli gubitak težine, a pri usponu, naprotiv, pod pritišće vaše noge jače nego inače.

Ali jedno osećanje ništa ne dokazuje. Uostalom, senzacije nas pokušavaju uvjeriti da se Sunce kreće na nebu oko nepokretne Zemlje, da su sve zvijezde i planete na istoj udaljenosti od nas, na nebeskom svodu, itd.

Naučnici su podvrgli senzacije eksperimentalnoj provjeri. Čak je i Newton razmišljao o čudnom identitetu ova dva fenomena. Pokušao je da im da numeričke karakteristike. Izmjerivši gravitacijske i , uvjerio se da su njihove vrijednosti uvijek striktno jednake jedna drugoj.

Od kojih god materijala napravio klatna pilotske fabrike: od srebra, olova, stakla, soli, drveta, vode, zlata, peska, pšenice. Rezultat je bio isti.

Princip ekvivalencije, o kojoj govorimo, je osnova opšte teorije relativnosti, iako savremenom tumačenju teorije ovaj princip više nije potreban. Izostavljajući matematičke dedukcije koje slijede iz ovog principa, prijeđimo direktno na neke posljedice opće teorije relativnosti.

Prisustvo velikih masa materije u velikoj meri utiče na okolni prostor. To dovodi do takvih promjena u njemu, koje se mogu definirati kao nehomogenosti prostora. Ove nehomogenosti usmjeravaju kretanje svih masa koje su blizu tijela koje privlači.

Obično se pribjegava takvoj analogiji. Zamislite platno čvrsto zategnuto na ramu paralelnom sa površinom zemlje. Stavite veliku težinu na to. Ovo će biti naša velika privlačna masa. Ona će, naravno, saviti platno i završiti u nekoj udubini. Sada prevrnite loptu preko ovog platna na način da dio njene putanje leži pored mase koja privlači. U zavisnosti od toga kako će lopta biti lansirana, moguće su tri opcije.

1. Lopta će letjeti dovoljno daleko od udubljenja stvorenog skretanjem platna i neće promijeniti svoje kretanje.
2. Lopta će dodirnuti udubljenje, a linije njenog kretanja će se saviti prema masi koja privlači.
3. Lopta će pasti u ovu rupu, neće moći da izađe iz nje i napraviće jedan ili dva obrtaja oko gravitirajuće mase.

Nije li istina da treća opcija vrlo lijepo modelira hvatanje od strane zvijezde ili planete stranog tijela koje je nemarno odletjelo u njihovo polje privlačnosti?

A drugi slučaj je savijanje putanje tijela koje leti brzinom većom od moguće brzine hvatanja! Prvi slučaj je sličan letenju izvan praktičnog dosega gravitacionog polja. Da, praktično je, jer je teoretski gravitaciono polje neograničeno.

Naravno, ovo je veoma daleka analogija, pre svega zato što niko zaista ne može da zamisli otklon našeg trodimenzionalnog prostora. Šta fizičko značenje ovaj otklon, ili zakrivljenost, kako često kažu, niko ne zna.

Iz opšte teorije relativnosti sledi da se svako materijalno telo može kretati u gravitacionom polju samo duž zakrivljenih linija. Samo u posebnim slučajevima kriva se pretvara u pravu liniju.

Zraka svetlosti takođe poštuje ovo pravilo. Na kraju krajeva, sastoji se od fotona koji imaju određenu masu u letu. A gravitaciono polje ima svoj uticaj na njega, kao i na molekul, asteroid ili planetu.

Drugi važan zaključak je da gravitaciono polje takođe menja tok vremena. U blizini velike privlačne mase, u jakom gravitacionom polju koje je stvorila, vrijeme bi trebalo da bude sporije nego daleko od nje.

Vidite, i opća teorija relativnosti puna je paradoksalnih zaključaka koji mogu iznova i iznova preokrenuti naše ideje o "zdravom razumu"!

Gravitacijski kolaps

Razgovarajmo o nevjerovatnom fenomenu kosmičke prirode - o gravitacionom kolapsu (katastrofalna kompresija). Ovaj fenomen se javlja u gigantskim nakupinama materije, gde gravitacione sile dostižu tako ogromne veličine da im nijedna druga sila koja postoji u prirodi ne može da im odoli.

Sjetite se poznate Newtonove formule: što je veća sila gravitacije, manji je kvadrat udaljenosti između tijela koja gravitiraju. Dakle, što materijalna formacija postaje gušća, što je njena veličina manja, što se gravitacijske sile brže povećavaju, to je neizbježnije njihov destruktivni zagrljaj.

Postoji lukava tehnika kojom se priroda bori s naizgled neograničenom kompresijom materije. Da bi to učinio, zaustavlja sam tok vremena u sferi djelovanja superdžinovskih gravitacijskih sila, a okovane mase materije su, takoreći, isključene iz našeg Univerzuma, zamrznute u čudnom letargičnom snu.

Prva od ovih "crnih rupa" kosmosa vjerovatno je već otkrivena. Prema pretpostavci sovjetskih naučnika O. K. Husejnova i A. Š. Novruzove, to je delta Blizanaca - dvostruka zvezda sa jednom nevidljivom komponentom.

Vidljiva komponenta ima masu 1,8 solara, a njen nevidljivi "partner" bi, prema proračunima, trebao biti četiri puta masivniji od vidljive. Ali od toga nema tragova: nemoguće je vidjeti najnevjerovatnije stvaranje prirode, "crnu rupu".

Sovjetski naučnik profesor K.P. Stanjukovič, kako kažu, „na vrhu pera“, pokazao je kroz čisto teorijske konstrukcije da čestice „zamrznute materije“ mogu biti veoma različite veličine.

• Moguće su njegove gigantske formacije, slične kvazarima, koji neprekidno zrače onoliko energije koliko zrače svih 100 milijardi zvijezda naše Galaksije.
• Moguće su mnogo skromnije nakupine, jednake samo nekoliko solarnih masa. I ti i drugi objekti mogu sami nastati iz obične, a ne „uspavane“ materije.
• A moguće su formacije sasvim druge klase, srazmjerne po masi elementarnim česticama.

Da bi oni nastali, potrebno je prvo materiju koja ih čini podvrgnuti gigantskom pritisku i otjerati u granice Schwarzschildove sfere – sfere u kojoj vrijeme za vanjskog posmatrača potpuno staje. Čak i ako se nakon toga pritisak čak i ukloni, čestice za koje je vrijeme stalo nastavit će postojati nezavisno od našeg Univerzuma.

plankeoni

Plankeoni su vrlo posebna klasa čestica. Oni poseduju, prema K.P. Stanjukoviču, izuzetno zanimljivo svojstvo: nose materiju u sebi u nepromenjenom obliku, kakav je bio pre milion i milijardi godina. Gledajući unutar plankeona, mogli smo vidjeti materiju kakva je bila u vrijeme rođenja našeg univerzuma. Prema teorijskim proračunima, u svemiru postoji oko 1080 plankeona, otprilike jedan plankeon u kocki prostora sa stranom od 10 centimetara. Inače, istovremeno sa Stanjukovičem i (bez obzira na njega, hipotezu o plankeonima izneo je akademik M. A. Markov. Samo im je Markov dao drugačije ime - maksimoni.

Posebna svojstva plankeona također se mogu koristiti za objašnjenje ponekad paradoksalnih transformacija elementarnih čestica. Poznato je da kada se dvije čestice sudaraju, nikada ne nastaju fragmenti, već nastaju druge elementarne čestice. Ovo je zaista nevjerovatno: u običnom svijetu, razbijajući vazu, nikada nećemo dobiti cijele šolje ili čak rozete. Ali pretpostavimo da u dubini svake elementarne čestice postoji plankeon, jedan ili nekoliko, a ponekad i mnogo plankeona.

U trenutku sudara čestica, čvrsto vezana „vreća“ plankeona se lagano otvara, neke čestice će „pasti“ u nju, a umesto da „iskoče“ one za koje smatramo da su nastale prilikom sudara. Istovremeno, plankeon će, kao vrijedan računovođa, osigurati sve "zakone očuvanja" usvojene u svijetu elementarnih čestica.
Pa, kakve veze ima mehanizam univerzalne gravitacije s tim?

"Odgovorne" za gravitaciju, prema hipotezi K. P. Stanjukoviča, su sitne čestice, takozvani gravitoni, koje kontinuirano emituju elementarne čestice. Gravitoni su toliko manji od potonjeg, kao što je zrnca prašine koja pleše u sunčevom zraku manja od globusa.

Zračenje gravitona se pridržava niza pravilnosti. Naročito im je lakše letjeti u tu oblast svemira. Koji sadrži manje gravitona. To znači da ako postoje dva nebeska tijela u svemiru, oba će zračiti gravitone pretežno "napolje", u smjerovima suprotnim jedno od drugog. To stvara impuls koji uzrokuje da se tijela približe jedno drugom, da se privlače.

Apsolutno sva materijalna tijela, koja se nalaze direktno na Zemlji i postoje u Univerzumu, stalno se privlače jedno drugom. Činjenica da ovu interakciju nikako nije uvijek moguće vidjeti ili osjetiti, samo ukazuje da je ta privlačnost relativno slaba u ovim konkretnim slučajevima.

Interakcija između materijalnih tijela, koja se sastoji u njihovom stalnom stremljenju jedno prema drugom, prema osnovnim fizičkim pojmovima, naziva se gravitacijskim, dok se sam fenomen privlačenja naziva gravitacijom.

Fenomen gravitacije je moguć jer postoji gravitaciono polje oko apsolutno svakog materijalnog tijela (uključujući i oko osobe). Ovo polje je posebna vrsta materije, od čijeg se djelovanja ništa ne može zaštititi, a uz pomoć koje jedno tijelo djeluje na drugo, izazivajući ubrzanje prema centru izvora ovog polja. Služio je kao osnova za univerzalnu gravitaciju koju je 1682. godine formulirao engleski prirodnjak i filozof I.

Osnovni koncept ovog zakona je gravitaciona sila, koja, kao što je već pomenuto, nije ništa drugo do rezultat dejstva gravitacionog polja na određeno materijalno telo. leži u činjenici da sila kojom dolazi do međusobnog privlačenja tijela i na Zemlji i u svemiru direktno ovisi o umnošku mase ovih tijela i obrnuto je povezana s udaljenosti koja razdvaja ove objekte.

Dakle, gravitaciona sila, čiju je definiciju dao sam Njutn, zavisi samo od dva glavna faktora - mase tela u interakciji i udaljenosti između njih.

Potvrda da ovaj fenomen zavisi od mase materije može se naći proučavanjem interakcije Zemlje sa tijelima koja je okružuju. Ubrzo nakon Njutna, drugi poznati naučnik, Galileo, ubedljivo je pokazao da u 0, naša planeta svim telima daje potpuno isto ubrzanje. To je moguće samo ako tijelo do Zemlje direktno ovisi o masi ovog tijela. Uostalom, zaista, u ovom slučaju, s povećanjem mase za nekoliko puta, sila koja djeluje gravitacija će se povećati točno isti broj puta, dok će ubrzanje ostati nepromijenjeno.

Ako nastavimo ovu misao i razmotrimo interakciju bilo koja dva tijela na površini "plave planete", onda možemo zaključiti da na svako od njih djeluje ista sila iz naše "majke Zemlje". U isto vrijeme, oslanjajući se na poznati zakon koji je formulirao isti Newton, možemo sa sigurnošću reći da će veličina ove sile direktno ovisiti o masi tijela, stoga je gravitacijska sila između ovih tijela direktno ovisna o proizvodu njihovih masa.

Kako bi dokazao da to zavisi od veličine jaza između tijela, Newton je morao uključiti Mjesec kao "saveznika". Odavno je utvrđeno da je ubrzanje s kojim tijela padaju na Zemlju približno jednako 9,8 m/s ^ 2, ali se ispostavilo da je Mjesec u odnosu na našu planetu, kao rezultat serije eksperimenata, samo 0,0027 m/s ^ 2.

Dakle, gravitaciona sila je najvažnija fizička veličina koja objašnjava mnoge procese koji se dešavaju kako na našoj planeti, tako iu okolnom svemiru.

Zašto kamen pušten iz ruku pada na zemlju? Zato što ga Zemlja privlači, reći će svako od vas. U stvari, kamen pada na Zemlju ubrzanjem slobodnog pada. Posljedično, sila usmjerena prema Zemlji djeluje na kamen sa strane Zemlje. Prema trećem Newtonovom zakonu, kamen također djeluje na Zemlju sa istim modulom sile usmjerenom prema kamenu. Drugim riječima, između Zemlje i kamena djeluju sile međusobnog privlačenja.

Njutn je prvi pogodio, a potom i strogo dokazao, da je razlog pada kamena na Zemlju, kretanja Meseca oko Zemlje i planeta oko Sunca jedan te isti. Ovo je gravitaciona sila koja djeluje između bilo kojeg tijela Univerzuma. Evo tijeka njegovog razmišljanja datog u Njutnovom glavnom djelu "Matematički principi prirodne filozofije":

“Horizontalno bačen kamen skrenut će pod djelovanjem gravitacije s pravog puta i, nakon što je opisao zakrivljenu putanju, konačno će pasti na Zemlju. Ako ga bacite većom brzinom, onda će pasti dalje” (slika 1).

Nastavljajući ovo razmišljanje, Newton dolazi do zaključka da, da nije otpora zraka, onda bi putanja kamena bačenog sa visoka planina određenom brzinom, mogao postati takav da nikada ne bi stigao do površine Zemlje, već bi se kretao oko nje "baš kao što planete opisuju svoje orbite u nebeskom svemiru".

Sada smo se toliko navikli na kretanje satelita oko Zemlje da nema potrebe detaljnije objašnjavati Newtonovu misao.

Dakle, prema Newtonu, kretanje Mjeseca oko Zemlje ili planeta oko Sunca je također slobodan pad, ali samo pad koji traje bez prestanka milijardama godina. Razlog za takav "pad" (bilo da je riječ zaista o padu običnog kamena na Zemlju ili kretanju planeta po njihovim orbitama) je sila univerzalne gravitacije. Od čega zavisi ova sila?

Zavisnost sile gravitacije od mase tijela

Galileo je dokazao da prilikom slobodnog pada Zemlja daje isto ubrzanje svim tijelima na datom mjestu, bez obzira na njihovu masu. Ali ubrzanje je, prema drugom Newtonovom zakonu, obrnuto proporcionalno masi. Kako se može objasniti da je ubrzanje koje tijelu daje Zemljina gravitacija isto za sva tijela? To je moguće samo ako je sila privlačenja Zemlje direktno proporcionalna masi tijela. U ovom slučaju, povećanje mase m, na primjer, za faktor dva će dovesti do povećanja modula sile F je također udvostručen, a ubrzanje, koje je jednako \(a = \frac (F)(m)\), će ostati nepromijenjeno. Uopštavajući ovaj zaključak za sile gravitacije između bilo kojeg tijela, zaključujemo da je sila univerzalne gravitacije direktno proporcionalna masi tijela na koje ova sila djeluje.

Ali najmanje dva tijela učestvuju u međusobnom privlačenju. Svaki od njih, prema trećem Newtonovom zakonu, podliježe istom modulu gravitacijskih sila. Dakle, svaka od ovih sila mora biti proporcionalna i masi jednog tijela i masi drugog tijela. Stoga je sila univerzalne gravitacije između dva tijela direktno proporcionalna proizvodu njihovih masa:

\(F \sim m_1 \cdot m_2\)

Ovisnost sile gravitacije o udaljenosti između tijela

Iz iskustva je poznato da je ubrzanje slobodnog pada 9,8 m/s 2 i isto je za tijela koja padaju sa visine od 1, 10 i 100 m, odnosno ne ovisi o udaljenosti između tijela i zemlja. Čini se da to znači da sila ne ovisi o udaljenosti. Ali Newton je vjerovao da udaljenosti treba mjeriti ne od površine, već od centra Zemlje. Ali radijus Zemlje je 6400 km. Jasno je da nekoliko desetina, stotina ili čak hiljada metara iznad površine Zemlje ne može primjetno promijeniti vrijednost ubrzanja slobodnog pada.

Da bismo saznali kako udaljenost između tijela utječe na silu njihovog međusobnog privlačenja, bilo bi potrebno saznati kolika je akceleracija tijela udaljenih od Zemlje na dovoljno velikim udaljenostima. Međutim, teško je promatrati i proučavati slobodan pad tijela s visine od hiljade kilometara iznad Zemlje. Ali sama priroda je tu priskočila u pomoć i omogućila da se odredi ubrzanje tijela koje se kreće u krug oko Zemlje i stoga posjeduje centripetalno ubrzanje, uzrokovano, naravno, istom silom privlačenja prema Zemlji. Takvo tijelo je prirodni satelit Zemlje - Mjesec. Da sila privlačenja između Zemlje i Mjeseca ne ovisi o udaljenosti između njih, tada bi Mjesečevo centripetalno ubrzanje bilo isto kao i ubrzanje tijela koje slobodno pada blizu površine Zemlje. U stvarnosti, centripetalno ubrzanje Mjeseca je 0,0027 m/s 2 .

Dokažimo to. Revolucija Mjeseca oko Zemlje događa se pod utjecajem gravitacijske sile između njih. Približno se mjesečeva orbita može smatrati krugom. Stoga, Zemlja daje Mesecu centripetalno ubrzanje. Izračunava se po formuli \(a = \frac (4 \pi^2 \cdot R)(T^2)\), gdje je R- radijus lunarne orbite, jednak približno 60 poluprečnika Zemlje, T≈ 27 dana 7 h 43 min ≈ 2,4∙10 6 s je period okretanja Mjeseca oko Zemlje. S obzirom da je poluprečnik zemlje R h ≈ 6,4∙10 6 m, dobijamo da je centripetalno ubrzanje Mjeseca jednako:

\(a = \frac (4 \pi^2 \cdot 60 \cdot 6.4 \cdot 10^6)((2.4 \cdot 10^6)^2) \približno 0,0027\) m/s 2.

Pronađena vrijednost ubrzanja je manja od ubrzanja slobodnog pada tijela blizu površine Zemlje (9,8 m/s 2) za približno 3600 = 60 2 puta.

Dakle, povećanje udaljenosti između tijela i Zemlje za 60 puta dovelo je do smanjenja ubrzanja koje daje zemljina gravitacija, a samim tim i same sile privlačenja za 60 2 puta.

Ovo dovodi do važnog zaključka: ubrzanje koje daje tijelima sila privlačenja prema zemlji smanjuje se obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti do središta Zemlje

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

Zakon gravitacije

Godine 1667. Newton je konačno formulirao zakon univerzalne gravitacije:

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

Sila međusobnog privlačenja dvaju tijela direktno je proporcionalna proizvodu masa ovih tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih.

Faktor proporcionalnosti G pozvao gravitaciona konstanta.

Zakon gravitacije vrijedi samo za tijela čije su dimenzije zanemarljivo male u odnosu na rastojanje između njih. Drugim riječima, to je samo pošteno za materijalne bodove. U ovom slučaju, sile gravitacijske interakcije su usmjerene duž linije koja spaja ove tačke (slika 2). Takve sile se nazivaju centralnim.

Da biste pronašli gravitacionu silu koja djeluje na dato tijelo sa strane drugog, u slučaju kada se veličina tijela ne može zanemariti, postupite na sljedeći način. Oba tijela su mentalno podijeljena na tako male elemente da se svako od njih može smatrati tačkom. Sabiranjem gravitacionih sila koje deluju na svaki element datog tela od svih elemenata drugog tela, dobijamo silu koja deluje na ovaj element (slika 3). Nakon što su izvršili takvu operaciju za svaki element datog tijela i dodali rezultujuće sile, oni pronalaze ukupnu gravitacijsku silu koja djeluje na ovo tijelo. Ovaj zadatak je težak.

Međutim, postoji jedan praktično važan slučaj kada je formula (1) primjenjiva na proširena tijela. Može se dokazati da se sferna tijela, čija gustina ovisi samo o udaljenostima do njihovih centara, na udaljenostima između njih koje su veće od zbira njihovih polumjera, privlače silama čiji su moduli određeni formulom (1). U ovom slučaju R je udaljenost između centara loptica.

I konačno, pošto su dimenzije tijela koja padaju na Zemlju mnogo manje od dimenzija Zemlje, ova tijela se mogu smatrati tačkastim. Onda ispod R u formuli (1) treba razumjeti udaljenost od datog tijela do centra Zemlje.

Između svih tijela postoje sile međusobnog privlačenja, koje zavise od samih tijela (njihove mase) i od udaljenosti između njih.

Fizičko značenje gravitacione konstante

Iz formule (1) nalazimo

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

Iz toga slijedi da ako je udaljenost između tijela brojčano jednaka jedan ( R= 1 m) i mase tijela u interakciji su također jednake jedinici ( m 1 = m 2 = 1 kg), tada je gravitaciona konstanta numerički jednaka modulu sile F. Na ovaj način ( fizičko značenje ),

gravitaciona konstanta je numerički jednaka modulu gravitacione sile koja deluje na telo mase 1 kg od drugog tela iste mase sa rastojanjem između tela jednakim 1 m.

U SI, gravitaciona konstanta se izražava kao

.

Cavendish iskustvo

Vrijednost gravitacijske konstante G mogu se naći samo empirijski. Da biste to učinili, morate izmjeriti modul gravitacijske sile F, djelujući na tjelesnu masu m 1 bočna tjelesna težina m 2 na poznatoj udaljenosti R između tela.

Prva mjerenja gravitacijske konstante izvršena su u sredinom osamnaestog in. Procijenite, iako vrlo grubo, vrijednost G u to vrijeme uspio kao rezultat razmatranja privlačenja klatna prema planini, čija je masa određena geološkim metodama.

Precizna mjerenja gravitacijske konstante prvi je napravio 1798. godine engleski fizičar G. Cavendish koristeći uređaj nazvan torzionu vagu. Šematski, torziona ravnoteža je prikazana na slici 4.

Cavendish je fiksirao dvije male olovne kuglice (5 cm u prečniku i težini m 1 = 775 g svaki) na suprotnim krajevima štapa od dva metra. Štap je bio okačen na tanku žicu. Za ovu žicu prethodno su određene elastične sile koje u njoj nastaju pri uvijanju kroz različite kutove. Dvije velike olovne kugle (20 cm u prečniku i težine m 2 = 49,5 kg) može se približiti malim kuglicama. Privlačne sile velikih kuglica natjerale su male kuglice da se kreću prema njima, dok se zategnuta žica malo uvijala. Stepen uvijanja je mjera sile koja djeluje između kuglica. Ugao uvijanja žice (ili rotacija štapa s malim kuglicama) pokazao se toliko malim da se mora mjeriti pomoću optičke cijevi. Rezultat koji je dobio Cavendish razlikuje se samo 1% od vrijednosti gravitacijske konstante prihvaćene danas:

G ≈ 6,67∙10 -11 (N∙m 2) / kg 2

Dakle, sile privlačenja dvaju tijela po 1 kg, koje se nalaze na udaljenosti od 1 m jedno od drugog, u modulima iznose samo 6,67∙10 -11 N. Ovo je vrlo mala sila. Samo u slučaju kada su u interakciji tijela ogromne mase (ili najmanje masa jednog od tijela je velika), gravitacijska sila postaje velika. Na primjer, Zemlja silom vuče Mjesec F≈ 2∙10 20 N.

Gravitacijske sile su "najslabije" od svih sila prirode. To je zbog činjenice da je gravitacijska konstanta mala. Ali sa velikim masama kosmičkih tela, sile univerzalne gravitacije postaju veoma velike. Ove sile drže sve planete blizu Sunca.

Značenje zakona gravitacije

Zakon univerzalne gravitacije leži u osnovi nebeske mehanike - nauke o kretanju planeta. Uz pomoć ovog zakona, položaji nebeskih tijela na nebeskom svodu u narednim decenijama se određuju sa velikom preciznošću i izračunavaju njihove putanje. Zakon univerzalne gravitacije se također koristi u proračunima kretanja umjetnih Zemljinih satelita i međuplanetarnih automatskih vozila.

Poremećaji u kretanju planeta. Planete se ne kreću striktno prema Keplerovim zakonima. Keplerovi zakoni bi se striktno poštovali za kretanje date planete samo ako se ova planeta okreće oko Sunca. Ali unutra Solarni sistem Planeta je mnogo, sve ih privlači i Sunce i jedna drugu. Zbog toga dolazi do poremećaja u kretanju planeta. U Sunčevom sistemu perturbacije su male, jer je privlačenje planete od strane Sunca mnogo jače od privlačenja drugih planeta. Prilikom izračunavanja prividnog položaja planeta, perturbacije se moraju uzeti u obzir. Prilikom lansiranja umjetnih nebeskih tijela i prilikom izračunavanja njihovih putanja koriste se približnom teorijom kretanja nebeskih tijela - teorijom perturbacije.

Otkriće Neptuna. Jedan od jasnim primjerima Trijumf zakona univerzalne gravitacije je otkriće planete Neptun. Godine 1781. engleski astronom William Herschel otkrio je planetu Uran. Izračunata je njena orbita i sastavljena je tabela položaja ove planete za dugi niz godina. Međutim, provjera ove tabele, izvršena 1840. godine, pokazala je da se njeni podaci razlikuju od stvarnosti.

Naučnici su sugerirali da je odstupanje u kretanju Urana uzrokovano privlačenjem nepoznate planete, koja se nalazi još dalje od Sunca od Urana. Poznavajući odstupanja od proračunate putanje (poremećaji u kretanju Urana), Englez Adams i Francuz Leverrier su, koristeći zakon univerzalne gravitacije, izračunali položaj ove planete na nebu. Adams je ranije završio proračune, ali posmatrači kojima je izvijestio svoje rezultate nisu žurili s provjerom. U međuvremenu, Leverrier je, nakon što je završio svoje proračune, njemačkom astronomu Halleu pokazao mjesto gdje treba tražiti nepoznatu planetu. Već prve večeri, 28. septembra 1846. godine, Hale je, usmjeravajući teleskop na naznačeno mjesto, otkrio novu planetu. Dali su joj ime Neptun.

Na isti način, 14. marta 1930. godine otkrivena je planeta Pluton. Za oba otkrića se kaže da su napravljena "na vrhu pera".

Koristeći zakon univerzalne gravitacije, možete izračunati masu planeta i njihovih satelita; objašnjavaju fenomene kao što su oseka i oseka vode u okeanima i još mnogo toga.

Sile univerzalne gravitacije su najuniverzalnije od svih sila prirode. Oni djeluju između tijela koja imaju masu, a sva tijela imaju masu. Ne postoje prepreke silama gravitacije. Oni djeluju kroz bilo koje tijelo.

Književnost

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Proc. za 9 ćelija. avg. škola - M.: Prosvjeta, 1992. - 191 str.
2. Fizika: Mehanika. Ocena 10: Proc. za dubinski studij fizike / M.M. Balašov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky i drugi; Ed. G.Ya. Myakishev. – M.: Drfa, 2002. – 496 str.

DEFINICIJA

Zakon univerzalne gravitacije otkrio je I. Newton:

Dva tijela se privlače jedno drugom sa , što je direktno proporcionalno njihovom proizvodu i obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti između njih:

Opis zakona gravitacije

Koeficijent je gravitaciona konstanta. U sistemu SI gravitaciona konstanta ima vrednost:

Ova konstanta je, kao što se može vidjeti, vrlo mala, pa su i gravitacijske sile između tijela male mase također male i praktično se ne osjećaju. Međutim, kretanje kosmičkih tijela u potpunosti je određeno gravitacijom. Prisustvo univerzalne gravitacije ili, drugim riječima, gravitacijske interakcije objašnjava na čemu se Zemlja i planete „drže“ i zašto se kreću oko Sunca po određenim putanjama, a ne odlijeću od njega. Zakon univerzalne gravitacije nam omogućava da odredimo mnoge karakteristike nebeskih tijela - mase planeta, zvijezda, galaksija, pa čak i crnih rupa. Ovaj zakon vam omogućava da izračunate orbite planeta sa velikom preciznošću i kreirate matematički model Univerzum.

Uz pomoć zakona univerzalne gravitacije moguće je izračunati i kosmičke brzine. Na primjer, minimalna brzina kojom tijelo koje se kreće horizontalno iznad Zemljine površine neće pasti na njega, već će se kretati po kružnoj orbiti je 7,9 km/s (prva svemirska brzina). Da bi napustili Zemlju, tj. da bi savladalo svoju gravitaciju, tijelo mora imati brzinu od 11,2 km/s, (druga kosmička brzina).

Gravitacija je jedan od najneverovatnijih prirodnih fenomena. U nedostatku gravitacionih sila, postojanje Univerzuma bi bilo nemoguće, Univerzum ne bi mogao ni nastati. Gravitacija je odgovorna za mnoge procese u Univerzumu – njegovo rođenje, postojanje reda umjesto haosa. Priroda gravitacije još uvijek nije u potpunosti shvaćena. Do danas niko nije uspio razviti dostojan mehanizam i model gravitacijske interakcije.

Gravitacija

Poseban slučaj ispoljavanja gravitacionih sila je gravitacija.

Gravitacija je uvijek usmjerena vertikalno naniže (prema centru Zemlje).

Ako sila gravitacije djeluje na tijelo, onda tijelo djeluje. Vrsta kretanja ovisi o smjeru i modulu početne brzine.

Svakodnevno se suočavamo sa silom gravitacije. , nakon nekog vremena je na zemlji. Knjiga, puštena iz ruku, pada. Nakon skoka, osoba ne odleti u svemir, već pada na zemlju.

Uzimajući u obzir slobodni pad tijela u blizini Zemljine površine kao rezultat gravitacijske interakcije ovog tijela sa Zemljom, možemo napisati:

odakle ubrzanje slobodnog pada:

Ubrzanje slobodnog pada ne zavisi od mase tela, već zavisi od visine tela iznad Zemlje. zemlja blago spljoštena na polovima, pa se tijela u blizini polova nalaze malo bliže centru Zemlje. U tom smislu, ubrzanje slobodnog pada ovisi o geografskoj širini područja: na polu je nešto veće nego na ekvatoru i drugim geografskim širinama (na ekvatoru m/s, na sjevernom polu ekvatoru m/s.

Ista formula vam omogućava da pronađete ubrzanje slobodnog pada na površini bilo koje planete s masom i radijusom.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1 (problem "vaganja" Zemlje)

Vježbajte	Radijus Zemlje je km, ubrzanje slobodnog pada na površini planete je m/s. Koristeći ove podatke, procijenite približnu masu Zemlje.
Rješenje	Ubrzanje slobodnog pada na površini Zemlje: odakle masa Zemlje: U sistemu C, radijus Zemlje m. Zamjenom numeričkih vrijednosti fizičkih veličina u formulu, procjenjujemo masu Zemlje:
Odgovori	Masa Zemlje kg.

PRIMJER 2

Vježbajte

Zemljin satelit se kreće po kružnoj orbiti na visini od 1000 km od površine Zemlje. Koliko brzo se kreće satelit? Koliko vremena je potrebno satelitu da napravi jednu potpunu revoluciju oko Zemlje?

Rješenje

Prema , sila koja djeluje na satelit sa strane Zemlje jednaka je proizvodu mase satelita i ubrzanja s kojim se kreće: Sa strane Zemlje na satelit djeluje sila gravitacijske privlačnosti koja je, prema zakonu univerzalne gravitacije, jednaka: gdje su i mase satelita i Zemlje, respektivno. Pošto je satelit na određenoj visini iznad površine Zemlje, udaljenost od njega do centra Zemlje: gdje je poluprečnik zemlje.