Что такое сила тяготения: Сила тяготения

Сила тяготения

2006-10-23 12:42 (0)

Все тела Вселенной, как небесные, так и находящиеся на Земле, подвержены взаимному притяжению. Если же мы и не наблюдаем его между обычными предметами, окружающими нас в повседневной жизни (например, между книгами, тетрадями, мебелью и т.д.), то лишь потому, что оно в этих случаях слишком слабое.

Взаимодействие, свойственное всем телам Вселенной и проявляющееся в их взаимном притяжении друг к другу, называют гравитационным, а само явление всемирного тяготения — грави­тацией.

Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством особого вида материи, называемого гравитационным полем. Такое поле существует вокруг любого тела, будь то планета, камень, человек или лист бумаги. При этом тело, создающее гравитационное поле, действует им на любое другое тело так, что у того появляется ускорение, всегда направленное к источнику поля. Появление такого ускорения и означает, что между телами возникает притяжение.

Особенностью гравитационного поля является его всепроникающая спо­собность. Защититься от него ничем нельзя, оно проникает сквозь любые материалы.

Гравитационные силы обусловлены взаимным притяжением тел и направлены вдоль линии, соединяющей взаимодействующии точки, поэтому называются центральными силами. Они зависят только от координат взаимодействующих точек и являются потенциальными силами.

В 1682 г. И.Ньютон открыл закон всемирного тяготения:

Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональ­ной квадрату расстояния между ними:

.

Коэффициент пропорциональности G  называется гравитационной постоянной, 

G = 6,67*10^-11(Н*м²)/кг².

Скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности планеты, чтобы оно стало ее спутником, движущимся по круговой орбите, называется первая космическая скорость. Любое тело может стать искусственным спутником другого тела, если сообщить ему необходимую скорость.

,

где g – ускорение свободного падения на планете, R – радиус планеты. Для Земли первая космическая скорость составляет приблизительно 7,9 км/с.

Сила, с которой тела притягиваются к Земле вследствие гравитационного взаимодействия, назы­вается силой тяжести. Согласно закону всемирного тяготения

 или ,

где g — ускорение свободного падения, R — рассто­яние от центра Земли до тела, М — масса Земли, т — масса тела.

Направлена сила тяжести вниз к центру Земли. В теле же она проходит через точку, которая называется центром тяжести.

Весом тела называют силу, с которой тело дей­ствует на опору или подвес вследствие притяжения к Земле. Вес тела

Р, в отличие от силы тяжести, приложен не к данному телу, а к его опоре или под­весу.

Р =mg .

В случае свободного падения вес тела равен нулю (это состояние невесомости), поскольку само тело и его опора движутся с одинаковым ускорением g . Несмотря на то, что в состоянии невесомости вес тела равен нулю, на него продолжает действовать сила тяжести, которая не равна нулю. Невесомость – состояние, возникающее при движении опоры с ускорением свободного падения. Вес тела при невесомости равен нулю.

Видео

• Физика воздуха. Сжимаемость воздуха.

  2020-05-23

• Что такое электричество? | ПРОСТО ФИЗИКА с Алексеем Иванченко

  2020-05-23

• Курс подготовки к ЕГЭ. Физика. Урок №1 Кинематика равномерного движения

  2018-12-22

• Батавские слезки – опыты

  2017-12-15

• Тепловой рычаг – физические опыты

  2017-12-15

• Секрет ЖК-монитора – поляризационная пленка

  2017-12-15

• ЛАЗЕР В ВОДЕ – физические опыты

  2017-12-15

• ЭЛЕКТРОХРОМНАЯ ПЛЕНКА с токопроводящим слоем и жидкокристаллической основой

  2017-12-15

• Урок из космоса.

  Физика невесомости

  2017-12-12

• Абсолютный ноль – погоня за абсолютным нулём

  2017-12-12

Сила всемирного тяготения – формула, определение, причина

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 108.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 108.

Одной из фундаментальных сил в Природе является Сила Всемирного Тяготения. Рассмотрим особенности этой силы подробнее.

Открытие Закона Всемирного Тяготения

Человек давно привык к тому, что все тела всегда падают на Землю. Идея о том, что именно Земля является причиной падения, высказывалась еще в античности. И до XVIIв считалось, что свойством притяжения обладает только Земля.

По мере развития представления о строении Вселенной накапливались знания о движении планет, была построена гелиоцентрическая система мира, и в начале XVIIв И. Кеплером были выведены математические законы этих движений.

Рис. 1. Движение планет. 2}}$$

Особенности сил гравитации

Среди особенностей сил гравитации можно выделить следующие.

• Это самая слабая из всех природных сил.
• Гравитация, как и электромагнетизм, действует на любых расстояниях лишь уменьшая свою силу, но не исчезая полностью в отличие от ядерного взаимодействия.
• Это единственная сила, сообщающая телам одинаковое ускорение, независимо от их массы. Объясняется это тем, что, хотя тело большей массы обладает большей инерцией, и сила гравитации для большего тела получается больше.

Мы не замечаем гравитацию из-за ее слабости. Два человека, находящиеся на расстоянии 3 м притягиваются друг к другу с силой 3 мкг. Если бы не было трения, они бы притянулись друг к другу за 30 часов, развив в момент касания скорость 40 мм в час. Поэтому главную роль гравитация имеет в космосе. Например, звезда Сириус, хотя и находится в восьми световых годах от Солнца, тем не менее, посылает ему свой «гравитационный привет» в 7 триллионов тонн.

Что мы узнали?

Сила всемирного тяготения действует на все массы во Вселенной и заставляет их притягиваться друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 108.

---

А какая ваша оценка?

Гравитация

Эта идея фокуса исследуется через:

• Противопоставление студенческих и научных взглядов
• Критические идеи обучения
• Преподавательская деятельность

Противопоставление студенческих и научных взглядов

Повседневный опыт студентов

Вещи, падающие на Землю, являются настолько знакомыми явлениями, что учащиеся могут считать эти события «естественными» и не нуждаются в дополнительных объяснениях.

Даже учащиеся, которые используют слово «гравитация» в соответствующем контексте, могут быть не в состоянии объяснить, что это такое, или будут непоследовательны в своих объяснениях.

Исследования: Skamp (2004)

Представления студентов о гравитации, форме Земли и направлении «вниз» часто переплетаются.

Эта идея также развита в основной идее Силы без контакта.

У учащихся могут быть разные взгляды на гравитацию:

• гравитация — это толчок сверху (в некоторых случаях из-за давления воздуха)
• гравитация связана с присутствием воздуха или чем-то в воздухе, поэтому, если нет воздуха, нет и гравитации. (Следовательно, на Луне, на спутниках Земли или в космосе нет гравитации; по мере подъема над поверхностью Земли гравитация уменьшается, потому что атмосфера истончается)
• гравитация увеличивается с высотой
• гравитация значительно меньше на высоких горах или высоких зданий и увеличивается по мере того, как мы теряем высоту (поэтому падающие предметы ускоряются)
• гравитация вызвана вращением Земли
• гравитация воздействует на предметы, когда они падают, но прекращается, когда они достигают земли. Он не действует на объекты, которые движутся вверх
• гравитация действует вверх на объекты, которые движутся вверх
• гравитация представляет собой большую силу
• в космическом корабле, вращающемся вокруг Земли, отсутствует гравитация.

Исследования: Скамп (2004), Палмер (2001), Ганстон и Митчелл (1998), Ганстоун и Уоттс (1985), Уоттс (1982)

Научная точка зрения

Считается, что гравитационные силы неразрывно связаны с тем, что мы называем «массой». Между каждым объектом во Вселенной существует гравитационная сила притяжения. Величина гравитационной силы пропорциональна массам объектов и ослабевает по мере увеличения расстояния между ними. Оба объекта действуют друг на друга с одинаковой силой притяжения: падающий объект притягивает Землю с силой такой же величины, как Земля притягивает его. Огромная разница в массе между Землей и падающим объектом означает, что движение Земли незаметно мало.

Мы замечаем гравитационные силы, только если один из вовлеченных объектов имеет огромную массу (например, Земля). При всех попытках сравнить гравитационные силы с другими силами они относительно намного слабее, чем магнитный и электрические силы.

Критические обучающие идеи

• Гравитационная сила – это притяжение между массами.
• Чем больше размер масс, тем больше размер гравитационной силы (также называемой силой тяжести).
• Сила гравитации быстро ослабевает с увеличением расстояния между массами.
• Силу гравитации чрезвычайно трудно обнаружить, если хотя бы один из объектов не имеет большой массы.
• Поскольку Земля такая большая, вам нужно подняться на очень большую высоту над поверхностью Земли, прежде чем появятся какие-либо заметные изменения в гравитационном притяжении Земли (на вершине Эвереста снижение составляет всего около 0,25%). .
• Сила веса, действующая на объект, говорит нам о величине силы гравитации Земли, действующей на объект.

Исследуйте взаимосвязь между представлениями о гравитации в Карта развития концепции – (Гравитация, Звезды)

Полезно сосредоточиться отдельно на двух областях, где гравитация важна:

1.

Вблизи поверхности Земли

Учащимся нужны возможности для обсуждения, которое выявляет идею о том, что гравитация воздействует на объекты прилагаются всей Землей к ее центру. Сила тяжести действует на объект независимо от того, движется он или нет. В повседневных ситуациях величина силы тяжести на что-то существенно не меняется по мере того, как оно поднимается над Землей. (Объект должен подняться намного выше, чем гигантский реактивный самолет, чтобы произошли существенные различия. Величина силы тяжести на высоте 200 км по-прежнему составляет около 94% от того, что было на уровне моря.)

Сила гравитации, действующая на объект с Земли, одинакова независимо от того, окружен ли объект воздухом (или водой, или чем-либо еще).

Исследования: Mitchell (2007)

2. Вселенная

Было бы полезно, если бы учащиеся поняли, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца, и что, когда что-то меняет направление (как это происходит постоянно с планетами), на них действует сила.

Эта идея также развивается в фокусе идей Толкает и тянет; Что такое сила? и День и ночь.

Идея о том, что на планетах должна быть сила, которая меняет их направление, может быть связана с силой притяжения Земли к объектам вблизи ее поверхности, что помогает учащимся понять обобщение о том, что гравитационные силы существуют повсюду во Вселенной.

Фильм или видеокассеты, демонстрирующие гравитационные силы между объектами и то, что астронавты могли ходить по Луне и сбрасывать на нее предметы из-за гравитации Луны, могут помочь сделать эти идеи правдоподобными для учащихся.

Преподавательская деятельность

Оспаривание некоторых существующих идей

POE (Предсказать-Наблюдать-Объяснить): a пружинные весы с прикрепленным грузом висят внутри герметичного колпака, соединенного с вакуумным насосом. Попросите учащихся предсказать, изменятся ли и как изменятся показания пружинного баланса при откачивании воздуха. Затем попросите их объяснить свои наблюдения. Примечание. Полезно заранее показать, что показание регистрирует уменьшение чистой силы, направленной вниз, если груз помещается в воду из-за восходящего толчка воды. См. диаграммы.

Выявление существующих идей учащихся

Предложите учащимся подумать о том, является ли сила тяжести, действующая на них сейчас, намного больше/немного больше/такой же/намного меньше/немного меньше/ноль, когда они:

• в том же классе с откачанным воздухом
• на вершине Эвереста
• на вершине самого высокого здания в Мельбурне
• на Луне (1/6 размера Земли)
• в классе но на Земле перестал крутить
• рядом с другим астронавтом в дальнем космосе
• единственный астронавт в дальнем космосе
• в свободном падении после прыжка с самолета.

Сопоставьте ответы и проведите разъяснительное обсуждение всем классом, чтобы прояснить ход мыслей учащихся и дать информацию для дальнейшего обучения.

Исследования: Gunstone & Mitche​ll (1998)

Способствовать осмыслению и уточнению существующих идей

Поощрять обсуждения в классе (толковательные обсуждения), которые исследуют взаимодействие сил гравитации с сопротивлением воздуха и силами трения. Подход заключается в сравнении движения двух листов бумаги, одного плоского и другого, скомканного в маленький шарик, когда их отпускают одновременно с одной и той же высоты. Силы гравитации, действующие на каждую из них, одинаковы, но их относительное движение сильно различается из-за действия сопротивления воздуха. Расширьте обсуждение, чтобы изучить силы, действующие на парашютистов во время свободного падения и при использовании парашютов.

POE (Предсказать-Наблюдать-Объяснить): чтобы помочь учащимся подумать об их относительных размерах, попросите учащихся предсказать, какая из этих сил наименьшая: магнитная, электрическая или гравитационная. Затем попросите их понаблюдать за волосами, прилипшими к заряженной расческе, и заколкой, прилипшей к магниту. В последующем обсуждении может быть полезно указать, что вся Земля тянет за волосы/заколку для волос. Хотя эта деятельность неточна, она открывает дискуссии об относительной силе этих сил.

Помогите учащимся разработать для себя некоторые «научные» объяснения

С помощью Интернета учащиеся могут найти примеры «невесомости» и разработать объяснения, используя идеи о всемирном тяготении.

Гравитационное взаимодействие – Гравитационная сила | Определение

Гравитационная сила является одной из четырех фундаментальных сил. Он прямо пропорционален массам тел и обратно пропорционален квадрату расстояния между телами.

Гравитация была первой силой, которая была исследована с научной точки зрения. Гравитационная сила была систематически описана Исааком Ньютоном в 17 веке. Ньютон утверждал, что гравитационная сила действует между всеми объектами, имеющими массу (включая объекты, начиная от атомов и фотонов и заканчивая планетами и звездами), и прямо пропорциональна массам тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Поскольку энергия и масса эквивалентны, все формы энергии (включая свет) вызывают гравитацию и находятся под ее влиянием. Диапазон этой силы ∞, и она слабее, чем другие силы. Эта взаимосвязь показана в уравнении ниже.

Уравнение показывает, что чем больше масса объектов или чем меньше расстояние между объектами, тем больше гравитационная сила . Таким образом, хотя массы нуклонов очень малы, тот факт, что расстояние между нуклонами чрезвычайно мало, может сделать силу гравитации значительной. Гравитационная сила между двумя протонами, разнесенными на расстояние 10 ^-20 метра, составляет примерно 10 ^-24 ньютона. Гравитация самая слабая из четырех фундаментальных взаимодействий физики, примерно в 10 ³⁸ раз слабее сильного взаимодействия. С другой стороны, гравитация аддитивна . Каждая частица материи, которую вы помещаете в комок, способствует общей тяжести комка. Поскольку это также очень дальнодействующая сила, она является доминирующей силой в макроскопическом масштабе и является причиной образования, формы и траектории (орбиты) астрономических тел.

Общая теория относительности — это фундаментальная теория гравитации. Эта теория описывает гравитацию не как силу, а как следствие искривления пространства-времени, вызванного неравномерным распределением массы. В теориях квантовой гравитации гравитон — это гипотетическая элементарная частица, передающая силу гравитации.

Искусственная гравитация

В 20 веке  принцип эквивалентности Эйнштейна поставил всех наблюдателей, движущихся или ускоряющихся, в одинаковое положение. Эйнштейн резюмировал это понятие в постулате:

Принцип эквивалентности:

к инерциальной системе отсчета.

Это привело к двусмысленности в отношении того, что именно подразумевается под силой тяжести и весом . Шкалу в ускоряющемся лифте нельзя отличить от шкалы в гравитационном поле. Таким образом, гравитационная сила и вес стали величинами, существенно зависящими от системы отсчета. Согласно общей теории относительности, гравитационная и инертная масса — это не разные свойства материи, а два аспекта фундаментального и единого свойства материи.

Анимация вращающейся космической станции диаметром 50 метров. Источник: wikipedia.org (П.Фраундорф) Лицензия: CC BY-SA 4.0

В ситуациях, когда гравитация отсутствует, выбранная система координат не является инерциальной. Тем не менее, он ускоряется с наблюдателем. Перегрузки и соответствующие собственные ускорения, ощущаемые наблюдателями в этих системах координат, вызваны механическими силами, противодействующими их весу в таких системах. Самый реалистичный метод производства искусственная гравитация , например, на борту космической станции, можно имитировать на вращающемся космическом корабле. Предметы внутри будут подталкиваться к корпусу, который будет иметь некоторый вес. Этот вес создается фиктивными или « инерционными силами, », которые появляются во всех ускоренных системах координат. В отличие от реальной гравитации, которая притягивает к центру планеты, центростремительная сила толкает к оси вращения.

Литература:

Ядерная и реакторная физика:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. В.С.К. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
6. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
7. Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988 г.
8. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. Январь 1993 г.
9. Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

Advanced Reactor Physics:

1. К.