Физика гравитация: Физика для чайников: что такое гравитация | Futurist

Содержание

Физика для чайников: что такое гравитация | Futurist

Автор: Екатерина Бруй |  28 февраля 2016, 14:34

Наверняка вы слышали, что гравитация – это не сила. И это правда. Однако же эта правда оставляет много вопросов. Например, мы обычно говорим, что гравитация «притягивает» объекты. На уроках физики нам говорили, что гравитация притягивает объекты к центру Земли. Но как это возможно? Как гравитация может не быть силой, но при этом притягивать объекты?

Прежде всего, нужно усвоить, что правильный термин – это «ускорение», а не «притяжение». На самом деле, гравитация вовсе не притягивает объекты, она деформирует систему пространства-времени (система, по принципам которой мы живем), объекты следуют за образовавшимися в результате деформации волнами и иногда могут ускоряться.

Благодаря Альберту Эйнштейну и его теории относительности, мы знаем, что пространство-время меняется под воздействием энергии. И самая важная часть этого уравнения – это масса. Энергия массы объекта заставляет пространство-время меняться. Масса сгибает пространство-время, и получившиеся изгибы направляют энергию. Таким образом, вернее думать о гравитации не как о силе, а как об искривлении пространства-времени. Как резиновое покрытие искривляется под шаром для боулинга, так пространство-время искривляется массивными объектами.

Так же, как автомобиль едет по дороге с различными изгибами и поворотами, объекты перемещаются по подобным изгибам и искривлениям в пространстве и времени. И точно так же, как автомобиль ускоряется, когда спускается вниз с холма, массивные объекты создают экстремальные виражи в пространстве и времени. Сила тяжести способна разгонять объекты, когда они входят в глубокие гравитационные колодцы. Этот путь, по которому объекты следуют через пространство-время, называют «геодезической траекторией».

Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она может ускорять объекты, рассмотрим расположение Земли и Луны относительно друг друга. Земля – это довольно массивный объект, по крайней мере, по сравнению с Луной, и наша планета заставляет пространство-время изгибаться. Луна вращается вокруг Земли из-за перекосов в пространстве и времени, которые вызваны массой планеты. Таким образом, Луна просто путешествует вдоль образовавшегося изгиба в пространстве-времени, который мы называем орбитой. Луна не чувствует никакой силы, действующей на нее, она просто следует по определенному возникшему пути.

Но почему не все астероиды и метеориты, которые проходят рядом с нашей планетой, занимают какую-то орбиту? Почему не все объекты, оказавшиеся рядом с Землей, начинают вращаться вокруг нее? Каждый день множество комет и астероидов проходят мимо Земли и не занимают определенную орбиту. Точно так же, каждый день множество объектов притягиваются к поверхности планеты и могут двигаться вокруг нее какое-то время.

В конечном счете, путь, по которому проходит объект, зависит от ряда факторов, таких как скорость, траектория и масса объекта.

Оригинал статьи.

Понравилась статья?

Поделись с друзьями!

  Поделиться 0   Поделиться 0   Твитнуть 0

Подпишись на еженедельную рассылку

Сила гравитации — урок. Физика, 7 класс.

Одна из имеющихся в природе сил — сила гравитации. Она действует на любые тела. Сила гравитации проявляется как взаимное притяжение.

Всемирное гравитационное взаимодействие проявляется в том, что все тела взаимно притягиваются с силой, которая зависит от масс тел и расстояния между телами.

 

Fгр=Gm1⋅m2R2,

 

где G=6,67⋅10−11Н⋅м2кг2 — гравитационная постоянная,

 

R — расстояние между центрами тел,

 

m1,m2 — массы тел.

Обрати внимание!

Чем больше масса тел, тем сильнее притяжение.

Сила притяжения действует также между нами и яблоком, которое находится на столе, однако эта сила столь ничтожна, что её невозможно ощутить. Для того чтобы ощутить силу гравитации, хотя бы одно из тел должно быть большой массы. У Земли масса велика — 6⋅1024кг, поэтому она сильно притягивает всё, что находится на Земле и вблизи неё, она удерживает воды океана, не позволяет Луне улететь в космос.

Силу гравитации, с которой Земля притягивает находящееся вблизи неё тело, называют силой тяжести.

В Солнечной системе самую большую силу гравитации создаёт Солнце, масса которого в \(300 000\) раз больше массы Земли. Солнце удерживает на орбитах все планеты Солнечной системы.

 

 

Рис. \(1\). Солнечная система

 

Обрати внимание!

Чем больше взаимное расстояние тел, тем меньше сила гравитации.

Приливами называют повышение уровня моря, которое вызывается движением и взаимным положением Земли, Луны и Солнца. Это движение и взаимное положение влияет на силу притяжения между данными небесными телами. 

 

При воздействии на Землю сил гравитации Солнца и Луны возникает приливная волна. Приливы возникают в открытых водоёмах, однако их можно заметить, и эффект от них ощущается только в прибрежных районах. Максимальный прилив происходит тогда, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой. Наибольшие приливы наблюдаются в Атлантическом океане в заливе Фанди (у побережья США) — \(18\) метров.

 

 

Рис. \(2\). Взаимодействие Земли и Луны

 

Несмотря на то, что масса Луны во много раз меньше массы Солнца, она находится гораздо ближе к Земле, и в связи с этим сила притяжения Луны гораздо больше, и, соответственно, приливы в основном вызываются Луной. Сила гравитации Луны два раза в сутки «тянет за собой» огромную массу воды.

Источники:

Рис. 2. Планета: NASA images by Reto Stöckli, based on data from NASA and NOAA, Public domain, via Wikimedia Commons, Схема приливов. © ЯКласс.

 

Физики измерили самую слабую гравитацию в истории

Физики измерили силу гравитационного притяжения божьей коровки (точнее, объекта с аналогичной массой: 90 миллиграммов). Это самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в эксперименте.

Напомним, что всё многообразие сил в природе сводится к четырём фундаментальным взаимодействиям между элементарными частицами: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному. При этом частицы вступают в сильное и слабое взаимодействие, только если сближаются на расстояния, сравнимые с размерами самих частиц. Так что в быту мы имеем дело с проявлением только электромагнитных и гравитационных сил.

Несмотря на то, что одно из взаимодействий называется слабым, на самом деле именно гравитация – “самое слабое звено” всей четвёрки. Каждый видел, как электромагнитные силы притягивают магнит к железу. Но никто никогда не замечал, чтобы чашки на его столе собрались в кучку под действием гравитации.

Легко понять, почему это так, воспользовавшись законом всемирного тяготения. Он гласит, что два тела массой в один килограмм на расстоянии один метр притягивают друг друга с ничтожной силой: порядка 10

-11 ньютона. Она сравнима с весом пылинки и, конечно, не может сдвинуть с места никакой предмет без специально созданных условий. Только наша огромная планета притягивает нас так, что мы можем разбить нос, споткнувшись.

Впрочем, верен ли закон всемирного тяготения для тел массой в килограмм? А в доли грамма? Ещё недавно мы просто не знали этого. Техника не позволяла измерять столь малые силы. Так что учёным приходилось “верить на слово” формуле, экспериментально проверенной для более значительных масс.

Между тем физики давно знают, что закон всемирного тяготения – не истина в последней инстанции. Для достаточно массивных объектов он перестаёт работать, уступая место общей теории относительности Эйнштейна. Её эффекты приходится учитывать даже при работе навигационных спутников в гравитационном поле Земли.

А вдруг лёгкие тела тоже притягивают друг друга по иному закону, чем установленный когда-то Исааком Ньютоном? Вдруг на малых масштабах начинает проявлять себя неуловимая тёмная материя, таинственная тёмная энергия, а то и квантовая природа гравитации? Подобное открытие стало бы одним из величайших в истории физики.

Физики измеряли притяжение между двумя золотыми шариками, один из которых был закреплён на конце крутильного маятника.

Неудивительно, что учёные упорно совершенствуют технику эксперимента, чтобы измерять притяжение как можно более лёгких объектов. Впервые гравитационное притяжение между двумя сравнительно небольшими телами измерил Генри Кавендиш в далёком 1797 году. Тщательно поставленный опыт позволил ему зафиксировать притяжение свинцового шара массой 160 килограммов. На протяжении веков физики увеличивали точность измерений, постепенно дойдя до масс в считанные килограммы.

Авторы нового исследования совершили прорыв, измерив силу тяготения, создаваемую золотым шариком массой 90 миллиграммов (как у божьей коровки) и диаметром два миллиметра.

Он притягивал два таких же шарика, укреплённых на концах стеклянного стержня длиной четыре сантиметра и толщиной полмиллиметра. Этот стержень был подвешен на стекловолоконной нити диаметром несколько тысячных долей миллиметра, так что получился крутильный маятник. Придвигая золотой шарик к крутильному маятнику или отодвигая от него, исследователи меняли силу притяжения между ними. Из-за этого маятник немного поворачивался.

Эта схема очень напоминает эксперимент Кавендиша с поправкой на масштабы. На сей раз смещение маятника составляло лишь несколько миллионных долей миллиметра и отслеживалось с помощью лазера. Экспериментаторы признаются, что даже проходящие мимо лаборатории пешеходы создавали помехи в чувствительном оборудовании, так что лучшие результаты получались в рождественские праздники и по ночам.

На сей раз эпохального открытия не случилось: эксперимент полностью подтвердил справедливость классической формулы Исаака Ньютона. Но исследователи уже планируют измерить силу тяготения объектов, которые в тысячи раз легче упомянутой золотой сферы. И кто знает, не ожидают ли их на этом пути самые удивительные находки.

Научная статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, влияет ли гравитация на квантовую запутанность.

На них держится Вселенная: как работают четыре главные силы природы | Технологии

Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Недавно физики нашли возможные признаки пятой фундаментальной силы природы, о которой мы писали ранее. Пришло время разобраться, как работают основные.

Фундамент Вселенной

Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается.

Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальных взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными.

Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса).

Сила тяжести — гравитационное взаимодействие

Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

Закон всемирного тяготения

Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.

Слабая сила и распад частиц

Слабая сила, или слабое ядерное взаимодействие, несет ответственность за распад частиц. Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино, отклоняющееся от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон.

Физики описывают это взаимодействие через обмен бозонами. Эти несущие силу частицы, а именно некоторые их виды, ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами. Когда субатомные частицы — протоны, нейтроны и электроны — находятся на расстоянии 10−18 метров (0,1% диаметра протона) друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы.

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза. Именно они приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Кстати, поэтому археологи используют углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, у которого — семь протонов и семь нейтронов. Такой распад происходит с предсказуемой скоростью, что и позволяет ученым определить возраст артефактов.

Электромагнитная сила

Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать.

Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной.

Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу. При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.

Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов.

Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.

Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации

Сильная ядерная сила, или сильное ядерное взаимодействие — мощнейшее из четырех фундаментальных сил природы. По данным HyperPhysics, это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6) раз сильнее силы тяжести. Дело в том, что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а часть сильного взаимодействия также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома.

Подобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10−15 метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона).

Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.

Великое объединение и теория всего

Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.

Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.


Читать далее

Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?

Уран получил статус самой странной планеты в Солнечной системе. Почему?

В НАСА рассказали, как они доставят образцы Марса на Землю

Что с нами произойдет, если исчезнет гравитация?

  • Колин Баррас
  • BBC Earth

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Преодолеть силу земного притяжения? Во сне или в мечтах – запросто

Если бы сила притяжения внезапно исчезла, перспектива уплыть в открытый космос оказалась бы далеко не самой серьезной из ваших проблем, считает обозреватель BBC Earth.

Всем нам известно действие гравитации, или силы притяжения. Ее действие можно испытать на себе, просто подпрыгнув. Увы, тех из нас, кого прельщает карьера Супермена, ждет разочарование: каждый прыжок неизменно заканчивается возвращением на землю.

Но что произошло бы, если бы силу притяжения можно было “отключить”?

Законы физики неумолимы – такого просто не может произойти. Что не мешает людям рассматривать подобную ситуацию в теории.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Благодаря гравитации все, что взлетает вверх, неизменно возвращается на землю

Предлагаем вам наиболее вероятный сценарий развития событий, основанный на предположениях ряда ученых.

Физик Джей Баки, в прошлом – астронавт НАСА, рассказывает о влиянии отсутствия гравитации на человеческий организм в короткой видеолекции (доступны субтитры на русском языке) в рамках образовательного проекта Ted-Ed.

Сила привычки

По словам Баки, наш организм адаптирован к силе земного притяжения. Если человек определенное время проводит в условиях измененной силы тяжести – например, на борту космической станции, – его организм начинает изменяться.

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Коварство гравитации знакомо спортсменам не понаслышке

Общеизвестно, что члены экипажей космических кораблей за время экспедиции теряют костную массу и мышечный тонус. Изменениям подвергается и чувство равновесия.

Раны заживают дольше, иммунитет организма падает. В условиях слабой или отсутствующей силы притяжения наблюдаются также проблемы со сном. И все это происходит лишь после короткого времени, проведенного в космосе.

“А что бы произошло, если бы мы выросли в отсутствие гравитации? – спрашивает Баки. – Как бы развивались части нашего организма, зависящие от силы притяжения – такие как мышцы, вестибулярный аппарат, сердце и кровеносные сосуды?”

Можно смело предположить, что в таком случае человеческое тело эволюционировало бы по-иному.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

Жизнь в отсутствие гравитации изменяет человеческий организм

Баки упоминает эксперимент, в котором новорожденному котенку закрыли один глаз повязкой. Когда через несколько недель повязку сняли, оказалось, что этим глазом животное не видит.

Хотя само по себе глазное яблоко было физически абсолютно нормальным, связь его со зрительной корой головного мозга попросту не сформировалась, поскольку от глаза с самого начала не подавалась никакая визуальная информация. Очень наглядная иллюстрация поговорки “используй, или потеряешь”.

Скорее всего, и другие органы нашего организма реагировали бы на отсутствие стимулов таким же образом.

Если бы не было гравитации, действие которой приходится компенсировать сердцу, мускулатуре и скелету, наши органы развивались бы совсем по-другому.

Однако в случае внезапного исчезновения силы тяжести долгосрочные последствия для организма были бы самой незначительной из наших проблем.

Все пропало?

Астроном Карен Мастерс из Портсмутского университета в Великобритании рассказывает в колонке Ask an Astronomer о том, какие физические явления произошли бы немедленно после исчезновения гравитации. Первая проблема, с которой столкнулось бы человечество, заключается в том, что Земля вращается с большой угловой скоростью. Представьте себе, что вы раскручиваете над головой бечевку с грузом на конце.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Тем, кто при исчезновении силы тяжести будет находиться внутри помещений, повезет несколько больше

“Мгновенно “отключить” гравитацию – все равно что выпустить бечевку из рук, – пишет Мастерс. – Любые предметы, не прикрепленные к земной поверхности, продолжат движение по прямой и улетят прямо в космос”.

Тот, кто окажется в этот момент на улице, навсегда покинет Землю. Находящимся внутри помещений повезет больше, поскольку здания, как правило, настолько заглублены в грунт, что при исчезновении гравитации останутся на месте – по крайней мере, на какое-то время, пишет Мастерс.

Все остальное, не прикрепленное достаточно надежно к поверхности Земли, унесется в открытый космос. Одними из первых нас покинут атмосферный слой, а также вода в океанах, реках и озерах.

Отсутствие силы притяжения в конечном счете разрушит саму планету, пишет Мастерс: “Скорее всего, Земля развалится на части, которые разлетятся в разные стороны”.

Похожая участь постигла бы и Солнце, как показано на видео канала Discovery News. Без “скрепляющей” силы притяжения колоссальное давление в ядре нашего светила разнесло бы его на клочки материи.

Tо же самое произошло бы со всеми другими звездами во Вселенной. Однако из-за гигантских расстояний последний свет умирающих звезд достиг бы нас лишь через долгие годы.

В конечном счете не осталось бы ни звезд, ни планет. Вселенная представляла бы собой “бульон” из рассеянных атомов и молекул, неспособных соединяться в более крупные скопления материи.

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Конец окажется зрелищным, но печальным

Этот сценарий – повторим, исключительно гипотетический – показывает, насколько важным является наличие гравитации для Вселенной.

Гравитация – одно из четырех достоверно известных нам так называемых фундаментальных взаимодействий, объясняющих физические процессы во Вселенной.

Остальные три не менее важны. Без электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий сами атомы распались бы на части.

Но гравитационное взаимодействие – единственное, чей эффект известен каждому из нас.

Наверное, именно по этой причине человечество настолько захватывают идеи наподобие антигравитации и такие научные достижения, как открытие гравитационных волн – даже если они никогда напрямую нас не затронут.

Гравитация – Физика

Гравита́ция   — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырёх типов фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё полностью не разработана.

Небесная механика и некоторые её задачи

Раздел механики, изучающий движение тел в пустом пространстве только под действием гравитации, называется небесной механикой.

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух точечных или сферических тел в пустом пространстве. Эта задача в рамках классической механики решается аналитически в замкнутой форме; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера.

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе эта неустойчивость не позволяет предсказать точно движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов световых лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: Солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы, аттракторы, хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений — сложная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки точно описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса.

Пространство волнуется раз. Пять лет назад мы узнали, что обнаружены гравитационные волны

1,3 млрд лет назад далеко-далеко от Земли сблизились две черные дыры и спустя еще 20 мс слились воедино. Из-за колоссальной энергии, выделившейся при столкновении, само пространство-время пошло рябью во все стороны от места катастрофы. 14 сентября 2015 г. в 13:51 по московскому времени эти волны на скорости света достигли Земли.

В многокилометровых тоннелях на противоположных концах США — одних из самых сложных инженерных объектах в мире — друг за другом задрожали зеркала. Колебание зеркал было почти незаметным — с амплитудой в 10-19 м. Это во столько же раз меньше размера атома, во сколько апельсин меньше нашей планеты.

Расчеты, занявшие десятки лет, измерения на грани квантового предела точности, несколько месяцев аккуратных проверок результатов — и 11 февраля в Вашингтоне, Москве, Лондоне, Париже и других городах начались пресс-конференции. Ученые имели сказать одно: человечество впервые зарегистрировало гравитационные волны, и это не могло быть ошибкой. Впереди нас ждали гравитационные телескопы, новая физика и, может, даже новая реальность.

Что такое гравитационные волны?

Если бросить в воду камень, по ней пойдет рябь. Гравитационные волны напоминают такую рябь, только колеблется само пространство-время. Гравитационные волны излучает все, что обладает массой и движется с переменным ускорением, даже тормозящая машина. Но в этом случае волны так малы, что законы физики не позволяют их уловить. Проще всего гравитационные волны обнаружить после вселенских катастроф — при столкновении черных дыр или нейтронных звезд: сравнительно компактных, но чрезвычайно массивных объектов.

Одни из первых экспериментов по обнаружению гравитационных волн ставили еще в 1970-е гг. на физическом факультете МГУ в группе под руководством профессора Владимира Брагинского. Тогда прибор, установленный в подвале здания, вроде бы зарегистрировал сигнал, сильный и стабильно повторяющийся каждый вечер. Назревала сенсация. Но праздник сорвал сам Брагинский: он понял, что прибор регистрировал сейсмический шум от трамваев в расположенном неподалеку депо.

Исследователи, участвовавшие в международном эксперименте BICEP2, были не так аккуратны, как советские физики. В 2014 г. они заявили о неопровержимых следах гравитационных волн в реликтовом излучении, сохранившемся с первых мгновений после Большого взрыва. Но ученые поторопились, не учтя влияние космической пыли при обработке данных.

‘ Ролик Массачусетского технологического института, где рассказывают об устройстве обсерватории LIGO и гравитационных волнах’

Неоднократные попытки обнаружить гравитационные волны делались и на других гравитационных телескопах, в том числе на детекторах коллаборации LIGO.

Что такое LIGO и гравитационные телескопы?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это название обсерватории и международного проекта ученых из 14 стран. Россию в LIGO представляют два научных коллектива: группы Александра Сергеева из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и Валерия Митрофанова с физического факультета МГУ. Последнюю, кстати, одно время возглавлял тот же Владимир Брагинский.

Обсерватория LIGO состоит из двух комплексов в 3 тыс. км друг от друга в американских штатах Луизиана и Вашингтон. В обоих проложены четырехкилометровые тоннели с зеркалами, по которым пускают лазерные лучи. Из-за гравитационных волн пространство-время сжимается и растягивается — расстояние, которое проходит пучок света, чуть-чуть меняется, как меняется и время, нужное, чтобы его преодолеть. Эти отклонения и позволяют засечь волну. В Италии работает похожая обсерватория Virgo, благодаря ей проще определить направление, откуда пришла волна.

Какой сигнал зарегистрировали ученые?

14 сентября 2015 г. зеркала в тоннелях стали колебаться с частотой 150 Гц и немыслимо маленькой амплитудой 10-19 м. После обработки была найдена причина — слияние двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли. Первая была в 29 раз массивнее Солнца, а вторая — в 36 раз. Получившаяся черная дыра потеряла три массы Солнца: столько энергии ушло в виде гравитационных волн. Будь это свет, а не гравитация, он ненадолго затмил бы всю видимую Вселенную.

В 2017 году за это открытие присудили Нобелевскую премию по физике. Половина награды досталась Райнеру Вайссу, который занимался разработкой детекторов гравитационных волн, еще по четверти — теоретику, инициатору проекта LIGO Кипу Торну и Барри Бэришу, первому руководителю и основателю LIGO.

Что будет дальше?

Сначала ученые надеются обзавестись третьим гравитационным телескопом для своей системы, который будет расположен в космосе. Тогда по характерным задержкам сигналов гравитационных волн исследователи смогут определять точное положение источников так же, как сейчас можно узнать свое точное положение на Земле, обменявшись сигналами с тремя спутниками GPS.

На эту тему

Гравитационные телескопы позволят лучше изучить Вселенную. Волны, которые они улавливают, ничто не может остановить. Вдобавок такой телескоп может сканировать сразу все небо: его не нужно наводить в определенную точку или настраивать на одну частоту. В перспективе многие уникальные астрофизические события первыми будут фиксироваться именно на так, а уже потом с помощью полученных данных будут наводить другие инструменты наблюдения.

Еще ученые надеются увидеть реликтовые гравитационные волны — те, что стали распространяться по Вселенной почти сразу после Большого взрыва. Это позволило бы заглянуть в самое начало времен, а может, разработать единую теорию фундаментальных взаимодействий, для которой теория относительности Эйнштейна будет частным случаем. Пока ее нет, и это одна из главных проблем в физике.

Наконец, кое-что с этого пира может перепасть и нам, простым людям, не мечтающим о теории великого объединения. Что это будет? Передача информации сквозь время, как в фильме “Интерстеллар”? Путешествия во времени? Что-то совершенно немыслимое? Мы не можем этого предсказывать — только ждать и смотреть.

Закон всемирного тяготения Ньютона

Как обсуждалось ранее в Уроке 3, Исаак Ньютон сравнил ускорение Луны с ускорением объектов на Земле. Полагая, что за каждую из них ответственны гравитационные силы, Ньютон смог сделать важный вывод о зависимости силы тяжести от расстояния. Это сравнение привело его к выводу, что сила гравитационного притяжения между Землей и другими объектами обратно пропорциональна расстоянию, отделяющему центр Земли от центра объекта.Но расстояние – не единственная переменная, влияющая на величину гравитационной силы. Рассмотрим знаменитое уравнение Ньютона

. F net = m • a

Ньютон знал, что сила, вызывающая ускорение яблока (гравитация), должна зависеть от массы яблока. И поскольку сила, вызывающая ускорение яблока вниз, также вызывает ускорение земли вверх (третий закон Ньютона), эта сила также должна зависеть от массы Земли.Таким образом, для Ньютона сила тяжести, действующая между Землей и любым другим объектом, прямо пропорциональна массе Земли, прямо пропорциональна массе объекта и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего центры объектов. земля и объект.

УНИВЕРСАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ГРАВИТАЦИИ

Но закон всемирного тяготения Ньютона распространяет гравитацию за пределы Земли. Закон всемирного тяготения Ньютона говорит о универсальности гравитации.Место Ньютона в Зале славы гравитации связано не с его открытием гравитации, а с его открытием универсальности гравитации. ВСЕ объектов притягивают друг друга силой гравитационного притяжения. Гравитация универсальна. Эта сила гравитационного притяжения напрямую зависит от масс обоих объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего их центры. Вывод Ньютона о величине гравитационных сил символически резюмируется как

.

Поскольку гравитационная сила прямо пропорциональна массе обоих взаимодействующих объектов, более массивные объекты будут притягивать друг друга с большей силой гравитации.Таким образом, по мере увеличения массы любого объекта сила гравитационного притяжения между ними также увеличивается. Если масса одного из предметов увеличивается вдвое, то сила тяжести между ними увеличивается вдвое. Если масса одного из предметов увеличивается втрое, то сила тяжести между ними увеличивается втрое. Если масса обоих объектов увеличивается вдвое, то сила тяжести между ними увеличивается в четыре раза; и так далее.

Поскольку сила тяжести обратно пропорциональна квадрату расстояния разделения между двумя взаимодействующими объектами, большее расстояние разделения приведет к более слабым силам гравитации.Так как два объекта отделены друг от друга, сила гравитационного притяжения между ними также уменьшается. Если расстояние между двумя объектами увеличивается вдвое (увеличивается в 2 раза), то сила гравитационного притяжения уменьшается в 4 раза (2 во второй степени). Если расстояние между любыми двумя объектами увеличивается в три раза (увеличивается в 3 раза), то сила гравитационного притяжения уменьшается в 9 раз (3 во второй степени).

Мыслить пропорционально уравнению Ньютона

Пропорциональности, выраженные универсальным законом всемирного тяготения Ньютона, графически представлены на следующем рисунке. Обратите внимание, как сила тяжести прямо пропорциональна произведению двух масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния разделения.

Еще один способ представления пропорциональностей – это выражение отношений в форме уравнения с использованием константы пропорциональности.Это уравнение показано ниже.

Константа пропорциональности (G) в приведенном выше уравнении известна как универсальная гравитационная постоянная . Точное значение G было экспериментально определено Генри Кавендишем через столетие после смерти Ньютона. (Этот эксперимент будет обсужден позже в Уроке 3.) Значение G составляет

. G = 6,673 x 10 -11 Н м 2 / кг 2

Блоки на G могут показаться довольно странными; тем не менее они разумны.Когда единицы на G подставляются в приведенное выше уравнение и умножаются на m 1 • m 2 единиц и делятся на d 2 единиц, результатом будет Ньютоны – единица силы.

Использование уравнения тяготения Ньютона для решения задач

Знание значения G позволяет нам вычислить силу гравитационного притяжения между любыми двумя объектами известной массы и известного расстояния разделения.В качестве первого примера рассмотрим следующую проблему.

Пример задачи № 1

Определите силу гравитационного притяжения между Землей (m = 5,98 x 10 24 кг) и студентом-физиком весом 70 кг, если студент стоит на уровне моря, на расстоянии 6,38 x 10 6 м от центра Земли. .

Решение задачи заключается в замене известных значений G (6.673 x 10 -11 Н м 2 / кг 2 ), м 1 (5,98 x 10 24 кг), м 2 (70 кг) и d (6,38 x 10 6 м) в универсальное уравнение гравитации и решение для F grav . Решение выглядит следующим образом:


Пример задачи № 2

Определите силу гравитационного притяжения между землей (m = 5.98 x 10 24 кг) и студент-физик весом 70 кг, если студент находится в самолете на высоте 40000 футов над поверхностью земли. Это поместит студента на расстояние 6,39 x 10 6 м от центра Земли.

Решение задачи заключается в подстановке известных значений G (6,673 x 10 -11 Н м 2 / кг 2 ), м 1 (5,98 x 10 24 кг), м 2 (70 кг) и d (6.39 x 10 6 м) в универсальное уравнение гравитации и решение для F grav . Решение выглядит следующим образом:

Можно сделать два общих концептуальных комментария к результатам двух приведенных выше расчетов. Во-первых, обратите внимание на то, что сила тяжести, действующая на ученика (также известная как вес ученика), меньше на самолете на высоте 40000 футов, чем на уровне моря. Это иллюстрирует обратную зависимость между разделительным расстоянием и силой тяжести (или, в данном случае, весом ученика).На большей высоте ученик весит меньше. Однако простое изменение на 40 000 футов от центра Земли практически незначительно. Это изменение высоты изменило вес ученика на 2 Н, что намного меньше 1% от первоначального веса. Расстояние в 40000 футов (от поверхности земли до высотного самолета) не так уж и далеко по сравнению с расстоянием 6,38 x 10 6 м (что эквивалентно почти 20000000 футов от центра Земли до поверхность земли).Это изменение расстояния похоже на капля в ведре по сравнению с большим радиусом Земли. Как показано на диаграмме ниже, расстояние разделения становится гораздо более важным при значительном изменении.

Второй концептуальный комментарий, который следует сделать по поводу приведенных выше примеров расчетов, заключается в том, что использование универсального уравнения гравитации Ньютона для расчета силы тяжести (или веса) дает тот же результат, что и при его вычислении с использованием уравнения, представленного в Блоке 2:

F grav = m • g = (70 кг) • (9. 8 м / с 2 ) = 686 Н

Оба уравнения дают один и тот же результат, потому что (как мы изучим позже в Уроке 3) значение g эквивалентно отношению (G • M земля ) / (R земля ) 2 .

Универсальность гравитации

Гравитационные взаимодействия существуют не просто между Землей и другими объектами; и не просто между Солнцем и другими планетами.Гравитационные взаимодействия существуют между всеми объектами с интенсивностью, которая прямо пропорциональна произведению их масс. Итак, когда вы сидите на своем месте в классе физики, вас притягивает гравитационное влечение к партнеру по лаборатории, к столу, за которым вы работаете, и даже к своей книге по физике. Революционная идея Ньютона заключалась в том, что гравитация универсальна – ВСЕ объекты притягиваются пропорционально произведению их масс. Гравитация универсальна. Конечно, большинство гравитационных сил настолько минимальны, чтобы их можно было заметить. Гравитационные силы можно узнать только тогда, когда массы объектов станут большими. Чтобы проиллюстрировать это, используйте универсальное уравнение тяготения Ньютона для вычисления силы тяжести между следующими знакомыми объектами. Нажмите кнопки, чтобы проверить ответы.

Масса объекта 1

(кг)

Масса объекта 2

(кг)

Расстояние разделения

(м)

Сила тяжести

(н.)

а.

Футболист

100 кг

Земля

5,98 x10 24 кг

6,38 x 10 6 м

(на поверхности)

г.

Балерина

40 кг

Земля

5.98 x10 24 кг

6,38 x 10 6 м

(на поверхности)

г.

Студент-физик

70 кг

Земля

5,98 x10 24 кг

6.60 x 10 6 м

(малая орбита)

г.

Студент-физик

70 кг

Студент-физик

70 кг

1 метр

e.

Студент-физик

70 кг

Студент-физик

70 кг

0,2 ​​м

ф.

Студент-физик

70 кг

Книга по физике

1 кг

1 метр

грамм. Студент-физик

70 кг

Луна

7,34 x 10 22 кг

1,71 x 10 6 м

(на поверхности)

час Студент-физик

70 кг

Юпитер

1.901 x 10 27 кг

6,98 x 10 7 м

(на поверхности)

Сегодня закон всемирного тяготения Ньютона является широко принятой теорией. Он направляет усилия ученых при изучении планетных орбит. Зная, что все объекты оказывают гравитационное влияние друг на друга, небольшие возмущения в эллиптическом движении планеты можно легко объяснить. По мере того, как планета Юпитер приближается к планете Сатурн по своей орбите, она имеет тенденцию отклоняться от своего плавного пути; это отклонение, или возмущение , легко объяснить, если учесть влияние гравитационного притяжения между Сатурном и Юпитером. Сравнение Ньютоном ускорения яблока с ускорением луны привело к удивительно простому выводу о природе гравитации, которая пронизывает всю Вселенную. Все объекты притягивают друг друга с силой, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Расследовать! Используйте приведенный ниже виджет Закон всемирного тяготения Ньютона , чтобы исследовать влияние масс объекта и расстояния разделения на величину гравитационного притяжения. Введите массы двух объектов и расстояние до них. Затем нажмите кнопку Submit , чтобы увидеть гравитационную силу. Поэкспериментируйте с различными значениями массы и расстояния.

Как Ньютон установил, что именно сила тяжести между Солнцем и планетами является силой, обеспечивающей движение планет по их эллиптическому пути? Нажмите, чтобы увидеть.


Мы хотели бы предложить … Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны с ним взаимодействовать! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивных материалов The Physics Classroom.Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего Gravitation Interactive. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Gravitation Interactive позволяет учащемуся интерактивно исследовать закон обратных квадратов гравитации.

Проверьте свое понимание

1. Предположим, что два объекта притягиваются друг к другу с силой тяжести 16 единиц. Если расстояние между двумя объектами увеличивается вдвое, какова новая сила притяжения между двумя объектами?

2. Предположим, что два объекта притягиваются друг к другу с силой тяжести 16 единиц. Если расстояние между двумя объектами уменьшится вдвое, то какова новая сила притяжения между двумя объектами?

3.Предположим, что два объекта притягиваются друг к другу с силой тяжести 16 единиц. Если бы масса обоих объектов увеличилась вдвое, и если бы расстояние между объектами осталось прежним, то какой была бы новая сила притяжения между двумя объектами?

4. Предположим, что два объекта притягиваются друг к другу с силой тяжести 16 единиц. Если бы масса обоих объектов была удвоена, и если бы расстояние между объектами было удвоено, то какой была бы новая сила притяжения между двумя объектами?


5.Предположим, что два объекта притягиваются друг к другу с силой тяжести 16 единиц. Если бы масса обоих объектов была утроена, и если бы расстояние между объектами было удвоено, то какой была бы новая сила притяжения между двумя объектами?

6. Предположим, что два объекта притягиваются друг к другу с силой тяжести 16 единиц. Если бы масса объекта 1 была удвоена, и если бы расстояние между объектами было утроено, то какой была бы новая сила притяжения между двумя объектами?


7.Считается, что с возрастом звезда претерпевает множество изменений. Один из последних этапов жизни звезды – это гравитационный коллапс в черную дыру. Что будет с орбитой планет солнечной системы, если наша звезда (Солнце превратится в черную дыру)? (И, конечно, это предполагает, что планеты не подвержены влиянию предыдущих стадий развития Солнца.)


8. Недавно завершив свой первый курс физики, Дон Велл разработала новый бизнес-план на основе темы Физика для лучшей жизни ее учителя.Доун узнала, что объекты весят разное количество на разном расстоянии от центра Земли. Ее план включает покупку золота на вес на одной высоте, а затем продажу его на другой высоте по той же цене за вес. Следует ли Dawn покупать на большой высоте и продавать на низкой или наоборот?


9. Фред очень беспокоится о своем весе, но редко что-то с ним делает. Узнав о законе всемирного тяготения Ньютона на уроке физики, он начинает беспокоиться о возможном влиянии изменения массы Земли на его вес.Во время (редкого) свободного времени за обеденным столом он говорит: «Как бы изменился мой вес, если бы масса Земли увеличилась на 10%?» Как бы вы ответили Фреду?

10. При сравнении данных о массе и размере планет Земля и Юпитер было замечено, что Юпитер примерно в 300 раз массивнее Земли. Можно быстро заключить, что объект на поверхности Юпитера и будет весить в 300 раз больше, чем на поверхности Земли.Например, можно было ожидать, что человек, который весит 500 Н на Земле, будет весить 150000 Н на поверхности Юпитера. Но это не так. Фактически, человек массой 500 N на Земле весит около 1500 N на поверхности и Юпитера. Объясните, как это может быть.

Что такое гравитация? | Космическое пространство НАСА – Наука НАСА для детей

Гравитация – это сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру.Сила тяжести удерживает все планеты на орбите вокруг Солнца.


Что еще делает гравитация?

Почему вы приземляетесь на землю, когда подпрыгиваете, а не летите в космос? Почему вещи падают, когда вы их бросаете или роняете? Ответ – гравитация: невидимая сила, притягивающая объекты друг к другу. Гравитация Земли – это то, что удерживает вас на земле и заставляет все падать.

Анимация силы тяжести в действии.Альберт Эйнштейн описал гравитацию как кривую в пространстве, огибающую объект, например звезду или планету. Если рядом находится другой объект, он втягивается в кривую. Изображение предоставлено: НАСА

.

Все, что имеет массу, также обладает гравитацией. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. С увеличением расстояния гравитация также ослабевает. Итак, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их гравитационное притяжение.

Гравитация Земли определяется всей ее массой. Вся его масса создает совокупное гравитационное притяжение всей массы вашего тела.Вот что дает вам вес. А если бы вы были на планете с массой меньше Земли, вы бы весили меньше, чем здесь.

Изображение предоставлено НАСА

.

Вы действуете на Землю с той же силой гравитации, что и на вас. Но поскольку Земля намного массивнее вас, ваша сила на самом деле не влияет на нашу планету.


Гравитация в нашей Вселенной

Гравитация – это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и то, что удерживает Луну на орбите вокруг Земли.Гравитационное притяжение луны притягивает к себе моря, вызывая океанские приливы. Гравитация создает звезды и планеты, стягивая воедино материал, из которого они сделаны.

Гравитация воздействует не только на массу, но и на свет. Альберт Эйнштейн открыл этот принцип. Если вы направите фонарик вверх, свет станет незаметно более красным, поскольку сила тяжести его тянет. Вы не можете увидеть изменения своими глазами, но ученые могут их измерить.

Черные дыры упаковывают столько массы в такой маленький объем, что их сила тяжести достаточно сильна, чтобы удержать что-либо, даже легкий, от ускользания.


Гравитация на Земле

Гравитация очень важна для нас. Без него мы не смогли бы жить на Земле. Гравитация Солнца удерживает Землю на орбите вокруг себя, удерживая нас на удобном расстоянии, чтобы мы могли наслаждаться солнечным светом и теплом. Он удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы должны дышать. Гравитация – это то, что скрепляет наш мир.

Однако гравитация не везде на Земле одинакова. Гравитация немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой.НАСА использует два космических аппарата для измерения этих изменений силы тяжести Земли. Эти космические корабли являются частью миссии Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE).

Миссия GRACE помогает ученым создавать карты вариаций силы тяжести на Земле. Области синего цвета имеют немного меньшую гравитацию, а области красного цвета – немного более сильные. Изображение предоставлено: НАСА / Центр космических исследований Техасского университета

GRACE обнаруживает крошечные изменения силы тяжести с течением времени.Эти изменения раскрыли важные детали нашей планеты. Например, GRACE отслеживает изменения уровня моря и может обнаруживать изменения земной коры, вызванные землетрясениями.


Universal Gravitation – Summary – The Physics Hypertextbook

Universal Gravitation – Summary – The Physics Hypertextbook.

Сводка

  • гравитационная сила
    • Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что любые два объекта с массой будут испытывать силу тяжести , то есть…
      • универсальный (действует на все объекты)
      • привлекательный (антигравитации не существует)
      • прямо пропорциональна массе каждого объекта (масса составляет гравитацию)
      • обратно пропорционально квадрату расстояния между их центрами ( правило обратных квадратов )
    • Уравнения
      F г = величина силы тяжести между двумя объектами (Примечание: знак минус часто добавляется к уравнению, чтобы показать, что сила притяжения.В практических расчетах его часто игнорируют.)
      G = универсальная гравитационная постоянная , часто сокращается до гравитационная постоянная или неофициально обозначается как Big G (6,67 × 10 −11 Н · м 2 / кг 2 )
      м 1 , м 2 = Масса двух объектов
      r = разделение между центрами двух объектов
      F г = вектор гравитационной силы между двумя объектами
      = единичный вектор вдоль линии, разделяющей центры двух объектов (Примечание: использование знака минус здесь показывает, что вектор силы направлен в противоположном направлении вектора разделения.Сила и разделение имеют противоположный смысл.)
    • Поскольку универсальная гравитационная постоянная – это «малое» число, гравитация – «слабая» сила.
      • Единственный объект, который оказывает заметную гравитационную силу на другие объекты в повседневной жизни, – это Земля.
      • Мы воспринимаем гравитационную силу Земли, потому что она массивна (5,97 × 10 – 24 кг), и мы обычно недалеко от нее (обычно менее чем в 6 400 км от ее центра).
      • Типичный человек может легко оттолкнуться от небольшого участка земли с нормальной силой, которая равна или превышает гравитационную силу всей Земли, тянущую его вниз.
    • Гравитационная сила между объектами имеет бесконечный диапазон.
      • Нет такого значения расстояния, r , которое могло бы составить F g = 0 в законе всемирного тяготения Ньютона.
      • Гравитацию можно уменьшить (удалившись от массивных объектов), но ее нельзя устранить.
    • Гравитация – доминирующая сила во Вселенной при низких энергиях и больших объемах (солнечные системы, галактики, скопления, сверхскопления и более крупные структуры).
  • Поле
    • Поле – это…
      • физическая величина, имеющая значение (или набор значений) в каждой точке пространства и времени
      • математическая функция, которая возвращает значение (или набор значений) для каждой точки в пространстве и времени
      • способ опровергнуть философские аргументы против действия на расстоянии
    • Поля могут быть…
      • скалярные поля , связанные с такими величинами, как…
        • температура
        • давление
        • плотность
        • электрический заряд
      • векторные поля , связанные с…
        • поток жидкостей (поле скорости ), например…
          • ветер
          • океанские течения
          • солнечный ветер
        • бесконтактных сил ( силовых полей ), таких как…
          • гравитационное поле
          • электрическое поле
          • магнитное поле
      • тензорные поля связанные с…
        • величины механики сплошной среды, а именно…
        • величины общей теории относительности, такие как…
          • метрический тензор
          • Тензор энергии-импульса
          • Тензор кривизны Риччи
  • Гравитационное поле
    • Величина Где…
      г = гравитационное поле (напряженность гравитационного поля)
      F г = Сила тяжести на пробной массе
      м = Масса пробной массы
    • квартир


      N = м

      кг с 2
    • Направление
      • Гравитация описывается векторным полем.
      • Направление гравитационного поля в любой точке пространства – это направление чистой гравитационной силы на «маленькую» пробную массу.
      • Гравитационное поле вокруг сферически-симметричной массы радиально и направлено внутрь.
      • Используйте векторное сложение, чтобы найти чистое гравитационное поле, когда присутствует более одного массивного объекта.

Нет постоянных условий.

  1. Механика
    1. Кинематика
      1. Движение
      2. Расстояние и перемещение
      3. Скорость и скорость
      4. Разгон
      5. Уравнения движения
      6. Свободное падение
      7. Графики движения
      8. Кинематика и расчет
      9. Кинематика в двух измерениях
      10. Снаряды
      11. Параметрические уравнения
    2. Dynamics I: Force
      1. Силы
      2. Сила и масса
      3. Действие-реакция
      4. Вес
      5. Динамика
      6. Статика
      7. Трение
      8. Силы в двух измерениях
      9. Центростремительная сила
      10. Кадры ссылки
    3. Энергия
      1. Работа
      2. Энергия
      3. Кинетическая энергия
      4. Потенциальная энергия
      5. Сохранение энергии
      6. Мощность
      7. Простые машины
    4. Dynamics II: Momentum (Импульс
    5. Dynamics II: Momentum)
      1. Импульс и импульс
      2. Сохранение импульса
      3. Импульс и энергия
      4. Импульс в двух измерениях
    6. Вращательное движение
      1. Кинематика вращения
      2. Инерция вращения
      3. Вращательная динамика
      4. Вращательная статика
      5. Угловой момент
      6. Энергия вращения
      7. Прокат
      8. Вращение в двух измерениях
      9. Сила Кориолиса
    7. Планетарное движение
      1. Геоцентризм
      2. Гелиоцентризм
      3. Вселенская гравитация
      4. Орбитальная механика I
      5. Гравитационная потенциальная энергия
      6. Орбитальная механика II
      7. Гравитация вытянутых тел
    8. Периодическое движение
      1. Пружины
      2. Генератор простых гармоник
      3. Маятники
      4. Резонанс
      5. Эластичность
    9. Жидкости
      1. Плотность
      2. Давление
      3. Плавучесть
      4. Расход жидкости
      5. Вязкость
      6. Аэродинамическое сопротивление
      7. Режимы потока
  2. Теплофизика
    1. Тепло и температура
      1. Температура
      2. Тепловое расширение
      3. Атомная природа вещества
      4. Закон о газе
      5. Кинетико-молекулярная теория
      6. Фазы
    2. Калориметрия
      1. Явное тепло
      2. Скрытое тепло
      3. Химическая потенциальная энергия
    3. Теплопередача
      1. Проводимость
      2. Конвекция
      3. Радиация
    4. Термодинамика
      1. Тепло и работа
      2. Диаграммы давление-объем
      3. Двигатели
      4. Холодильники
      5. Энергия и энтропия
      6. Абсолютный ноль
  3. Волны и оптика
    1. Волновые явления
      1. Природа волн
      2. Периодические волны
      3. Интерференция и суперпозиция
      4. Интерфейсы и барьеры
    2. Звук
      1. Природа звука
      2. Интенсивность
      3. Эффект Доплера (звук)
      4. Ударные волны
      5. Дифракция и интерференция (звук)
      6. Стоячие волны
      7. ударов
      8. Музыка и шум
    3. Физическая оптика
      1. Природа света
      2. Поляризация
      3. Эффект Доплера (светлый)
      4. Черенковское излучение
      5. Дифракция и интерференция (свет)
      6. Тонкопленочный интерференционный
      7. Цвет
    4. Геометрическая оптика
      1. Отражение
      2. Преломление
      3. Зеркала сферические
      4. Сферические линзы
      5. Аберрация
  4. Электричество и магнетизм
    1. Электростатика
      1. Электрический заряд
      2. Закон Кулона
      3. Электрическое поле
      4. Электрический потенциал
      5. Закон Гаусса
      6. Проводники
    2. Электростатические приложения
      1. Конденсаторы
      2. Диэлектрики
      3. Батарейки
    3. Электрический ток
      1. Электрический ток
      2. Электрическое сопротивление
      3. Электроэнергия
    4. Цепи постоянного тока
      1. Резисторы в цепях
      2. Батареи в цепях
      3. Конденсаторы в цепях
      4. Правила Кирхгофа
    5. Магнитостатика
      1. Магнетизм
      2. Электромагнетизм
      3. Закон Ампера
      4. Электромагнитная сила
    6. Магнитодинамика
      1. Электромагнитная индукция
      2. Закон Фарадея
      3. Закон Ленца
      4. Индуктивность
    7. Цепи переменного тока
      1. Переменный ток
      2. RC-цепи
      3. Цепи RL
      4. Цепи LC
    8. Электромагнитные волны
      1. Уравнения Максвелла
      2. Электромагнитные волны
      3. Электромагнитный спектр
  5. Современная физика
    1. Относительность
      1. Пространство-время
      2. Масса-энергия
      3. Общая теория относительности
    2. Quanta
      1. Излучение черного тела
      2. Фотоэлектрический эффект
      3. Рентгеновские лучи
      4. Антиматерия
    3. Волновая механика
      1. Волны материи
      2. Атомарные модели
      3. Полупроводники
      4. Конденсированное вещество
    4. Ядерная физика
      1. Изотопы
      2. Радиоактивный распад
      3. Период полураспада
      4. Энергия связи
      5. Деление
      6. Fusion
      7. Нуклеосинтез
      8. Ядерное оружие
      9. Радиобиология
    5. Физика элементарных частиц
      1. Квантовая электродинамика
      2. Квантовая хромодинамика
      3. Квантовая динамика вкуса
      4. Стандартная модель
      5. Помимо стандартной модели
  6. Фундаменты
    1. шт.
      1. Международная система единиц
      2. Гауссова система единиц
      3. Англо-американская система единиц
      4. Единицы разного назначения
      5. Время
      6. Преобразование единиц
    2. Измерение
      1. Значащие цифры
      2. По порядку величины
    3. Графики
      1. Графическое представление данных
      2. Линейная регрессия
      3. Подгонка по кривой
      4. Исчисление
    4. Векторы
      1. Тригонометрия
      2. Сложение и вычитание векторов
      3. Векторное разрешение и компоненты
      4. Умножение векторов
    5. ссылку
      1. Специальные символы
      2. Часто используемые уравнения
      3. Физические константы
      4. Астрономические данные
      5. Периодическая таблица элементов
      6. Люди в физике
  7. Назад дело
    1. Предисловие
      1. Об этой книге
    2. Связаться с автором
      1. гленнелерт.нас
      2. Behance
      3. Instagram
      4. Твиттер
      5. YouTube
    3. Аффилированные сайты
      1. hypertextbook.com
      2. midwoodscience.org

Понимание гравитации и веса – физика для старших классов

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или несколько ваших авторских прав, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса – изображению, ссылке, тексту и т. д. – относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Закон всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения

Сэр Исаак Ньютон

Универсальный закон тяготения



Есть популярная история, что Ньютон сидел под яблоней, яблоком. упал ему на голову, и он внезапно подумал о Универсальном Законе Тяготения.Как и во всех подобных легендах, подробности этого почти наверняка не соответствуют действительности. но история содержит элементы того, что на самом деле произошло.

Что на самом деле случилось с Apple? Вероятно, более правильная версия рассказа состоит в том, что Ньютон, наблюдая яблоко упало с дерева, стал думать в следующих направлениях: Яблоко ускоряется, так как его скорость изменяется с нуля, когда он висит на дереве и движется к земле. Таким образом, согласно 2-му закону Ньютона на яблоко должна действовать сила, вызывающая это ускорение.Давайте называют эту силу «гравитацией», а связанное с ней ускорение – “ускорение из-за к гравитации ». Затем представьте, что яблоня вдвое выше. Опять таки, мы ожидаем, что яблоко будет ускоряться к земле, поэтому это говорит о том, что эта сила, которую мы называем гравитацией, достигает вершины самого высокого яблоня.

Самая прекрасная идея сэра Исаака Вот и пришел поистине гениальный Ньютон. понимание: если сила тяжести достигает вершины самого высокого дерева, может дальше он не дойдет; в частности, может ли он не дойти до конца на орбиту Луны! Затем орбита Луны вокруг Земли могла быть следствием гравитационного силы, потому что ускорение свободного падения может изменить скорость движения Луна так, что двигалась по орбите вокруг земли.

Ньютон знал, что сила, вызывающая ускорение яблока (гравитация) должен зависеть от массы яблока. А поскольку действующая сила чтобы вызвать ускорение яблока вниз, также вызывает восходящее движение земли ускорение (третий закон Ньютона), эта сила также должна зависеть от массы земли. Итак, для Ньютона сила тяжести, действующая между землей и любой другой объект прямо пропорционален массе Земли, прямо пропорциональна массе объекта и обратно пропорциональна квадрат расстояния, разделяющего центры Земли и объект.

Константа пропорциональности G известна как универсальная гравитационная величина . постоянная . Это называется «универсальной константой», потому что считается быть таким же на всех мест и всегда, и, следовательно, повсеместно характеризует внутреннюю силу сила гравитации. Числовое значение G очень мало, что в основном является причиной для сила тяжести – самая слабая сила природы.Для в ценить из “G”, ссылаться к ваш текст книга. .


Но закон всемирного тяготения Ньютона распространяет силу тяжести за пределы Земли. Ньютона Закон всемирного тяготения касается универсальности гравитации. Ньютона место в Зале славы гравитации не из-за его открытия гравитации, а скорее благодаря его открытию универсальности гравитации. ВСЕ объекты привлекают друг друга с помощью силы гравитационного притяжения. Гравитация универсальна. Эта сила гравитационного притяжения напрямую зависит от масс обоих объектов и обратно пропорционально квадрату расстояния, которое разделяет их центры.

Вес и сила тяжести Мы видели, что во Всемирном законе тяготения решающее значение имеет масса. В популярном языке масса и вес часто означают одно и то же. вещь; на самом деле они связаны, но совершенно разные вещи. Что мы обычно называют вес на самом деле просто сила тяжести оказал объект определенной массы. Мы можем проиллюстрировать, выбрав Земля как одна из двух масс в предыдущей иллюстрации Закона всемирного тяготения:

Таким образом, получается масса объекта массой м у поверхности Земли. умножив массу m на ускорение свободного падения, г , на поверхности земли.Ускорение свободного падения приблизительно равно произведению универсальная гравитационная постоянная G и масса Земли M , г. деленное на радиус Земли, r в квадрате. (Мы предполагаем, что Земля сферической и пренебречь радиусом объекта относительно радиуса Земля в этом обсуждении.) Измеренное ускорение свободного падения на Скорость поверхности Земли составляет около 980 см / сек / сек.

Масса и вес

Масса – это мера количества материала в объекте, но вес является мерой гравитационная сила, действующая на этот материал в гравитационном поле; таким образом, масса и вес пропорциональны друг другу, с ускорением из-за гравитации как константа пропорциональности.Следует, что масса объекта постоянна (на самом деле это не совсем так, как описано в теории относительности), но вес зависит от расположения объекта. Например, если мы переместили предыдущий объект массой м на поверхность Луны, гравитационное ускорение изменится, потому что радиус и Масса Луны отличается от массы Земли. Таким образом, наш объект имеет массу м как на поверхности Земли, так и на поверхности Луны, но это будет весить на намного меньше на поверхности Луны потому что ускорение свободного падения в 6 раз меньше, чем на поверхности земли.

Использование уравнений как руководство к мышлению

Закон обратных квадратов, предложенный Ньютоном, предполагает, что сила тяжести, действующая между любыми двумя объектами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами объектов. Изменение разделительного расстояния (r) приводит к изменению силы тяжести, действующей между объектами. Поскольку две величины обратно пропорциональны, увеличение одной величины приводит к уменьшению значения другой величины.То есть увеличение разделительного расстояния вызывает уменьшение силы тяжести, а уменьшение разделительного расстояния вызывает увеличение силы тяжести.

Кроме того, коэффициент, на который изменяется сила тяжести, является квадратом коэффициента, на который изменяется разделительное расстояние. Таким образом, если расстояние разделения увеличивается вдвое (увеличивается в 2 раза), то сила тяжести уменьшается в четыре раза (2 во второй степени).А если расстояние разделения (r) увеличивается в три раза (увеличивается в 3 раза), то сила тяжести уменьшается в девять раз (3 во второй степени). Рассмотрение соотношения силы и расстояния таким образом включает использование математической зависимости в качестве руководства к размышлениям о том, как изменение одной переменной влияет на другую переменную. Уравнения могут быть больше, чем просто рецептами для решения алгебраических задач; они могут быть «проводниками мышления».

Пропорциональность, выраженная универсальным законом всемирного тяготения Ньютона, равна представлено графически на следующей иллюстрации.Посмотрите, как сила силы тяжести прямо пропорциональна произведению двух масс и обратно пропорциональна пропорционально квадрату расстояния разделения.

На приведенном выше рисунке цифра слева указывает эффект “массы”, если расстояние между двумя объектами остается фиксированным на заданное значение “d”. На рисунке справа показан эффект изменения расстояние при сохранении постоянной массы, и последняя его часть показывает эффект изменения расстояния и массы.

Проверьте свое понимание закона обратных квадратов в качестве руководства для размышляя, ответив на следующие вопросы ниже.

Проверьте свое понимание

1. Предположим, что два объекта притягиваются друг к другу с силой в 16 единиц (например, 16 Н или 16 фунтов). Если расстояние между двумя объектами удвоится, какова новая сила притяжения между двумя объектами?

Ответ: Если расстояние увеличивается в 2 раза, квадрат расстояния увеличивается в 4 раза.Таким образом, закон обратных квадратов подразумевает, что сила будет 1/4 от исходных 16 единиц. Таким образом, сила тяжести становится 4 единиц.

2. Предположим, что расстояние в вопросе 1 утроилось. Что происходит с силами между двумя объектами?

Ответ: Опять же, используя закон обратных квадратов, мы получаем квадрат расстояния для увеличения в 9 раз. Сила уменьшается в 9 раз и становится 1,78 единиц.

3. Если вы хотите получить прибыль, покупая весовое золото на одной высоте и продавая его на другой высоте по той же цене за вес, следует ли вам покупать или продавать на большей высоте? Какую шкалу нужно использовать для этой работы?

Ответ: Чтобы получить прибыль, покупайте на большой высоте и продавайте на небольшой высоте.Объяснение предоставляется студенту.

Проверьте свое понимание

4. Что будет с вашим весом, если масса Земли как-то увеличилось на 10%?

Ответ: Ваш вес есть не что иное, как сила тяжести между Земля и вы (как объект с массой m). Как показано на приведенном выше графике, изменение одной из масс приводит к изменению силы тяжести. В этом случае, если масса Земли увеличится на 10%, то сила тяжести, действующая на вас или вашу вес увеличится на столько же, то есть на 10%.

5. Планета Юпитер более чем в 300 раз массивнее Земли, поэтому может показаться, что тело на поверхности Юпитера будет весить в 300 раз больше, чем на Земле. Но так получилось, что на поверхности Юпитера тело вряд ли будет весить в три раза больше, чем на поверхности Земли. Объясните, почему это так.

Ответ: Эффект большей массы Юпитера частично компенсируется его большим радиусом, который примерно в 10 раз больше радиуса Земли.Это означает, что объект находится в несколько раз дальше от центра Юпитер по сравнению с землей. Значение, обратное расстоянию, приводит к значению знаменателя в 100 раз, и в результате сила увеличивается в 300 раз из-за массы, но уменьшается в 100 раз из-за квадрата расстояния. В результате сила увеличивается в 3 раза.


После прочтения этого раздела рекомендуется Чтобы проверить следующий фильм о законах Кеплера.

http: // www.archive.org/details/kepler_full_cc (продолжительность фильма около 7 минут)

Три закона Кеплера

Закон всемирного тяготения Ньютона предшествовал трем важным открытиям о движении планет немецкого астронома Иоганна Кеплера.

Три закона движения планет Кеплера можно описать следующим образом:

Первый закон Кеплера проиллюстрирован на изображении, показанном выше. Солнце находится не в центре эллипса, а в одном фокусе (обычно в другом фокусе эллипса ничего нет).Затем планета движется по эллипсу по своей орбите, что означает, что расстояние Земля-Солнце постоянно меняется, когда планета Земля движется по своей орбите. Для иллюстрации мы показали орбиту довольно эксцентричной; помните, что реальные орбиты гораздо менее эксцентричны, чем эта.

Второй закон Кеплера проиллюстрирован на предыдущем рисунке. Линия, соединяющая Солнце и планету, сметает равные области в равное время, поэтому планета движется быстрее, когда она приближается к Солнцу.Таким образом, планета совершает эллиптическое движение с постоянно изменяющейся угловой скоростью при движении по своей орбите. Точка ближайшего приближения планеты к Солнцу обозначается как перигелий ; точка наибольшего разделения обозначена как афелий . Следовательно, согласно второму закону Кеплера, планета движется на быстрее всего, когда она находится около перигелия, и медленнее всего, когда она находится около афелия.

В этом уравнении P представляет период обращения планеты (в в некоторых других ссылках период обозначается как “T”) и R представляет длину его большая полуось.Индексы «1» и «2» обозначают величины для планеты 1 и 2 соответственно. Предполагается, что периоды для двух планет находятся в одних и тех же единицах времени, а длина Предполагается, что большие полуоси двух планет находятся в одинаковых единицах расстояния. Третий закон Кеплера подразумевает, что период обращения планеты по орбите вокруг Солнца быстро увеличивается вместе с радиусом ее орбиты. Таким образом, мы обнаруживаем, что Меркурию, самой внутренней планете, требуется всего 88 дней, чтобы вращаться вокруг Солнца, а самой внешней планете (Плутон) требуется 248 лет, чтобы сделать то же самое.


Существует распространенное заблуждение, что времена года на Земле вызваны различным расстоянием от Земли до Солнца по его эллиптической орбите. Это не так. Один из способов увидеть, что это рассуждение может быть ошибочным, – это отметить, что времена года не совпадают по фазе в Северном и Южном полушариях: когда на севере лето, на юге зима.

Времена года в северном полушарии

Основная причина сезонов – 23.5 градусов оси вращения Земли по отношению к плоскости эклиптики, как показано на соседнем изображении. Это означает, что по мере того, как Земля движется по своей орбите, северное полушарие в разное время ориентировано больше и больше от Солнца, а также для южного полушария, как показано на следующем рисунке.

Таким образом, мы переживаем Лето в северном полушарии, когда Земля находится на той части своей орбиты, где северное полушарие ориентировано больше на Солнце, и поэтому Солнце поднимается выше в небе и находится над горизонтом дольше, а лучи Солнца падают на землю более прямо.Аналогичным образом, зимой в северном полушарии полушарие ориентировано от Солнца, Солнце поднимается только низко в небе, находится над горизонтом на более короткий период времени, а лучи Солнца падают на землю более наклонно.

Фактически, как показывает диаграмма, Земля на ближе на к Солнцу зимой в северном полушарии, чем летом (как обычно, мы сильно преувеличиваем эксцентриситет эллиптической орбиты на этой диаграмме). Земля находится в наиболее близком приближении к Солнцу (перигелию) примерно 4 января каждого года, которое является гибелью Солнца Н.Полушарие Зима.

21 июня, в день летнего солнцестояния, вершина оси (Северный полюс) указал прямо на солнце. Районы к северу от экватора ощущаются дольше дни и ночи короче.
21 декабря, в день зимнего солнцестояния, вершина земной оси направлена ​​прямо. вдали от Солнца. В районах к северу от экватора дни становятся короче и длиннее ночи.
На полпути между летним и зимним солнцестоянием находятся равноденствия. На этих раз земная ось не направлена ​​ни к Солнцу, ни от него.На в оба равноденствия, все места на Земле получают ровно 12 часов дневного света и 12 часов ночи.

Сезоны Южного полушария

Как видно из предыдущей диаграммы, сезоны в Южном полушарии определяются по той же причине, за исключением того, что они не совпадают по фазе с сезонами Северного полушария, потому что, когда Северное полушарие ориентировано к Солнцу, Южное полушарие ориентирован в сторону, а наоборот:


Лунные приливы

Приливы в определенном месте океанов Земли происходят каждый день примерно на час позже.Поскольку Луна проходит над головой каждый день примерно на час позже, долгое время предполагалось, что Луна связана с приливами. Закон всемирного тяготения Ньютона дал количественное понимание этой связи.

Дифференциальные силы

Рассмотрим молекулу воды в океане. Он гравитационно притягивается Землей, но он также испытывает гораздо меньшее гравитационное притяжение от Луны (намного меньше, потому что Луна намного дальше и намного менее массивна, чем Земля).Но это гравитационное притяжение Луны не ограничивается молекулами воды; Фактически, Луна оказывает гравитационную силу на каждый объект на Земле и в ней. Приливы возникают из-за того, что Земля является телом конечной протяженности, и эти силы неоднородны: некоторые части Земли расположены ближе к Луне, чем другие части, а поскольку сила гравитации уменьшается пропорционально расстоянию, обратному квадрату, эти части испытывают большее влияние. гравитационный буксир от Луны, чем части, которые находятся дальше.

В этой ситуации, которая схематично проиллюстрирована на соседнем рисунке, мы говорим, что дифференциальные силы действуют на тело (в данном примере на Землю). Действие дифференциальных сил на тело искажает тело. Тело Земли довольно жесткое, поэтому такие эффекты искажения малы (но конечны). Однако жидкость в океанах Земли гораздо легче деформируется, и это приводит к значительным приливным эффектам.

Мы можем проиллюстрировать основную идею с помощью простой модели планеты, полностью покрытой океаном одинаковой глубины, с незначительным трением между океаном и лежащей ниже планетой, как показано на следующем рисунке.Гравитационное притяжение Луны создает две приливные выпуклости на противоположных сторонах Земли.

Не вдаваясь в технические подробности, есть две выпуклости из-за разницы гравитационных сил. Жидкость в точке A находится ближе к Луне и испытывает большую гравитационную силу, чем Земля в точке B или океан в точке C. Поскольку она испытывает большее притяжение, она отталкивается от Земли к Луне, производя выпуклость с правой стороны.В общих чертах мы можем думать о выпуклости на левой стороне как о появлении, потому что Земля отодвинута от воды на этой стороне, потому что гравитационная сила, проявляемая Луной в точке B, больше, чем сила, действующая в точке C. идеализированная Земля вращается под этими выпуклостями, в данной точке на поверхности будет происходить два прилива и два отлива на каждый оборот планеты.

Весенние приливы и отливы

Еще одна сложность реалистичной модели состоит в том, что не только Луна, но и другие объекты Солнечной системы влияют на приливы Земли.Для большинства их приливные силы незначительны на Земле, но дифференциальная гравитационная сила Солнца до некоторой степени влияет на наши приливы (влияние Солнца на земные приливы меньше половины Луны).

Например, особенно сильные приливы наблюдаются в океанах Земли, когда Солнце и Луна выстраиваются в линию с Землей в новые и полные фазы Луны. Они называются весенних приливов (название не связано с сезоном весны).Степень усиления земных приливов примерно одинакова, независимо от того, выстраиваются ли Солнце и Луна на противоположных сторонах Земли (полная лунная фаза) или на одной стороне (новая лунная фаза). И наоборот, когда Луна находится в фазе первой или последней четверти (что означает, что она расположена под прямым углом к ​​линии Земля-Солнце), Солнце и Луна мешают друг другу, создавая приливные выпуклости, а приливы обычно слабее; они называются приливов . На приведенном выше рисунке показаны весенние и приливные приливы.

Рекомендуется проверить следующую интересную анимацию океанские приливы.

https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/tides06_variations.html


Регентс Физика Гравитация

Вселенская гравитация

Все объекты, имеющие массу, притягиваются друг к другу под действием силы тяжести. Величину этой силы, Fg, можно рассчитать, используя Закон всемирного тяготения Ньютона :

Этот закон говорит нам, что сила тяжести между двумя объектами пропорциональна каждой из масс ( м 1 и м 2 ) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ( r ).Универсальная гравитационная постоянная G – это, так сказать, «фактор выдумки», включенный в уравнение, так что ваши ответы будут выражаться в единицах S.I. G обозначен на первой странице вашей справочной таблицы Regents Physics как.

Давайте рассмотрим эту взаимосвязь более подробно. Сила прямо пропорциональна массам двух объектов, поэтому, если бы любая из масс была удвоена, гравитационная сила также удвоилась бы. Аналогичным образом, если бы расстояние между двумя объектами, r , было удвоено, сила тяжести была бы разделена на четыре части, так как расстояние возведено в квадрат в знаменателе.Этот тип отношений называется законом обратных квадратов , который описывает многие явления в мире природы.

ПРИМЕЧАНИЕ: расстояние между массами, r , на самом деле является расстоянием между центрами масс объектов. Для крупных объектов, таких как, например, Земля, вы должны определять расстояние до центра Земли, а не до ее поверхности.

Несколько советов по решению проблем, связанных с законом всемирного тяготения Ньютона:

  1. Подставляйте значения для переменных только в самом конце проблемы.Чем дольше вы сможете хранить формулу с точки зрения переменных, тем меньше возможностей для ошибок.
  2. Прежде чем использовать калькулятор для поиска ответа, попробуйте оценить порядок величины ответа. Используйте это, чтобы проверить свой окончательный ответ.
  3. После завершения расчетов убедитесь, что ваш ответ имеет смысл, сравнив свой ответ с известной или подобной величиной. Если ваш ответ не имеет смысла, проверьте свою работу и проверьте свои расчеты.

Давайте посмотрим, нельзя ли применить закон всемирного тяготения Ньютона к простой задаче…

Вопрос: Какова гравитационная сила притяжения между двумя астероидами в космосе, каждый массой 50 000 кг, разделенными расстоянием 3800 м?

Ответ:

Как видите, сила тяжести – относительно слабая сила, и мы ожидаем относительно слабой силы между относительно небольшими объектами. Требуются огромные массы и небольшие расстояния, чтобы развить значительные гравитационные силы.Давайте взглянем на другую проблему, чтобы изучить взаимосвязь между гравитационной силой, массой и расстоянием.

Гравитационные поля

Гравитация – это бесконтактная или полевая сила. Его эффекты наблюдаются без соприкосновения двух объектов друг с другом. Как именно это происходит, по сей день остается загадкой, но ученые придумали мысленную конструкцию, которая помогает нам понять, как работает гравитация.

Представьте себе объект с гравитационным полем, такой как планета Земля.Чем ближе другие массы к Земле, тем больше гравитационной силы они испытают. Мы можем охарактеризовать это, вычислив количество силы, которое Земля будет оказывать на единицу массы на различных расстояниях от Земли. Очевидно, что чем ближе объект к Земле, тем большую силу он будет испытывать, и чем дальше он от Земли, тем меньшую силу он будет испытывать.

Пытаясь визуализировать это, изобразите силу гравитационной силы на тестовом объекте, представленную вектором в положении объекта.Чем плотнее векторы сил, тем сильнее сила, тем сильнее «гравитационное поле». По мере того, как эти силовые линии становятся все менее и менее плотными, гравитационное поле становится все слабее и слабее.

Чтобы вычислить напряженность гравитационного поля в данной позиции, мы можем вернуться к нашему определению силы тяжести на нашем тестовом объекте, более известной как его вес. Мы пишем это как mg с тех пор, как начали изучать динамику. Но, понимая, что это сила тяжести на объекте, мы также можем вычислить силу тяжести на пробной массе, используя Закон всемирного тяготения Ньютона.Собирая их вместе, мы обнаруживаем, что:

Понимая, что масса в левой части уравнения, масса нашего тестового объекта, также является одной из масс в правой части уравнения, мы можем упростить наше выражение, разделив тестовую массу.

Следовательно, напряженность гравитационного поля g равна универсальной гравитационной постоянной G , умноженной на массу объекта, деленную на квадрат расстояния между объектами.

Но подождите, можно сказать … Я думал, g – это ускорение свободного падения на поверхности Земли! И ты был бы прав. Это не только сила гравитационного поля, но и ускорение свободного падения. Единицы даже отрабатывают … единицы напряженности гравитационного поля Н / кг эквивалентны единицам ускорения, м / с 2 !

Все еще скептически настроен? Давайте рассчитаем напряженность гравитационного поля на поверхности Земли, зная, что масса Земли приблизительно равна 5.98 × 10 24 кг, а расстояние от поверхности до центра масс Земли (которое немного меняется, поскольку Земля не является идеальной сферой) составляет примерно 6378 км в Нью-Йорке.

Как и ожидалось, напряженность гравитационного поля на поверхности Земли – это ускорение свободного падения. Посмотрим, не сможем ли мы решить некоторые задачи, используя силу гравитационного поля.

Вопрос: Предположим, что космонавт весом 100 кг ощущает силу тяжести 700N, когда находится в гравитационном поле планеты.

А) Какова напряженность гравитационного поля в месте нахождения космонавта?

Б) Какова масса планеты, если космонавт находится на расстоянии 2 × 10 6 м от ее центра?

Ответ:

Орбиты

Как небесные тела вращаются вокруг друг друга? Луна вращается вокруг Земли. Земля вращается вокруг Солнца. Наша солнечная система находится на орбите галактики Млечный Путь … но как все это работает?

Чтобы объяснить орбиты, сэр Исаак Ньютон разработал «мысленный эксперимент», в котором он представил пушку, установленную на вершине очень высокой горы, настолько высокой, что вершина горы находилась над атмосферой (это важно, потому что позволяет пренебречь сопротивлением воздуха).Если пушка затем запустит снаряд горизонтально, снаряд будет следовать параболической траектории к поверхности Земли.

Однако если снаряд будет запущен с более высокой скоростью, он пройдет дальше по поверхности Земли, прежде чем достигнет земли. Если бы его скорость могла быть увеличена достаточно высоко, снаряд падал бы с той же скоростью, с которой изгибается поверхность Земли. Снаряд будет продолжать падать вечно, когда будет кружить над Землей! Это круговое движение описывает орбиту.

Другими словами, астронавты космического корабля “Шаттл” не невесомы. На самом деле гравитация Земли все еще действует на них и притягивает их к центру Земли со значительной силой. Мы даже можем вычислить эту силу. Если космический шаттл вращается вокруг Земли на высоте 380000 м, какова сила гравитационного поля Земли?

Вопрос: Если космический шаттл вращается вокруг Земли на высоте 380 км, какова напряженность гравитационного поля Земли?

Ответ: Напомним, что мы можем получить значения G, массы Земли и радиуса Земли из справочной таблицы.

Это означает, что ускорение свободного падения на высоте, на которой астронавты движутся по орбите Земли, всего на 11% меньше, чем на поверхности Земли! На самом деле космический шаттл падает, но он движется по горизонтали так быстро, что к моменту его падения Земля изогнулась под ним, так что шаттл остается на том же расстоянии от центра Земли – он находится на орбите. . Конечно, для этого нужны огромные скорости …чтобы поддерживать орбиту в 380 км, космический шаттл движется со скоростью примерно 7680 м / с, что более чем в 23 раза превышает скорость звука на уровне моря!

Объяснитель: Что такое гравитация?

Мы почти не думаем об этом, но гравитация определяет, как мы взаимодействуем с нашим миром. Мы растем в его ограничениях, и все наши мышцы, система равновесия, сердце и кровеносные сосуды зависят от этого. Это буквально заземляет нас – но , что именно соответствует гравитации?

Gravity: грунтовка

Гравитация – одна из четырех фундаментальных сил, управляющих Вселенной , наряду с электромагнетизмом, сильными и слабыми ядерными силами.Сила определяется как взаимодействие, которое изменяет движение объекта, и поэтому эти четыре силы лежат в основе всей физики и определяют, как взаимодействует все во Вселенной – от обширного космического взаимодействия галактик до прочных связей, связывающих кварки внутри протона или нейтрона. .

Гравитация – самая слабая из этих сил, но мы знаем о ней дольше всех. На протяжении веков мы знали, что наши ноги находятся на земле, а планеты удерживаются на орбите вокруг Солнца. Еще до того, как гравитация была описана математически, астроном и математик семнадцатого века Иоганн Кеплер сформулировал точные законы для предсказания движения планет.

К сожалению, никто не понимал, почему планеты вращаются по орбите.


Дополнительная литература: Законы физики еще u универсальный, исследования найти


Закон всемирного тяготения Ньютона

Появляется Исаак Ньютон, который понял, что между планетами и Солнцем должна действовать сила. (Он также определил, что такое сила.) Независимо от того, действительно ли падающее яблоко вызвало его момент эврики, уравнение, которое он придумал для описания поведения этой силы, было революционным.

Ньютон (1642-1727) созерцает яблоко, около 1665 года. Предоставлено: Hulton Archive / Getty Images.

F = Гм 1 м 2 / r 2

Это уравнение говорит, что гравитация – это сила, которую два объекта с массой действуют друг на друга просто потому, что у них есть масса. Сила силы ( F ) пропорциональна массам двух объектов ( м 1 и м 2 ), деленным на квадрат расстояния между ними (r). G – это постоянная, которая измеряет базовую силу силы.

Это сводится к следующему: чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними, но чем дальше они друг от друга, тем слабее притяжение.

Рассмотрим легенду, связанную с откровением Ньютона о гравитации: яблоко, падающее с дерева. Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что не только Земля тянет за яблоко, но и яблоко тянет за Землю.Но огромная масса Земли означает, что для ее значительного перемещения требуется гораздо больше силы, поэтому яблоко падает, а Земля остается практически неподвижной. То же верно и в более широком контексте. Каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект, но чем он ближе и массивнее, тем больше его гравитационная сила.

Скопления галактик – это огромные скопления сотен или тысяч галактик и огромных резервуаров горячего газа, заключенных в массивные облака темной материи.

Подставляя несколько чисел в это уравнение, мы можем описать и предсказать почти все гравитационные явления на Земле, а также движения планет, комет и лун. Это объясняет, почему звезды собираются в галактики и почему галактики собираются в скопления.

Но уравнение не полностью описывает все, что мы видим – например, размер определенных постепенных изменений орбиты Меркурия вокруг Солнца. И как даже сам Ньютон задавался вопросом, как может сила действовать мгновенно на расстоянии даже через космический вакуум?

Гравитация и теория относительности

Во вселенной Ньютона космос – это плоское и пустое место, через которое движутся такие объекты, как звезды и планеты, но Эйнштейн использовал другой подход.

В одном из выдающихся научных достижений двадцатого века Альберт Эйнштейн и его бывший профессор Герман Минковский показали, что пространство и время – не отдельные сущности, а, скорее, единый четырехмерный континуум. Они представляли, как он простирается через вселенную, как ткань.

Черные дыры создают рябь в пространстве-времени (гравитационные волны). Предоставлено: Марк Гарлик / Библиотека научных фотографий.

Эйнштейн рассуждал, что любой объект с массой будет взаимодействовать с тканью пространства-времени и вызывать искажения.В качестве классической аналогии представьте себе пространство-время как нечто вроде батута. Шар для боулинга, помещенный в середину, согнет ткань и создаст колодец. Если затем вы поставите шарик рядом с шаром для боулинга, он закрутится по спирали вокруг колодца, притягиваясь внутрь, подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца.

Общая теория относительности Эйнштейна поэтому описывает гравитацию не просто как силу, но как геометрию – это следствие того, как материя искривляет пространство-время.

В отличие от теории Ньютона, общая теория относительности правильно описывает изменение орбиты Меркурия, принимая во внимание возмущения пространства-времени, вызванные массой Солнца.

С тех пор, как Эйнштейн опубликовал свою теорию в 1915 году, он получил огромное количество наблюдательных данных, подтверждающих ее. Он правильно описывает искривление света вокруг Солнца и далеких скоплений галактик – поскольку массы искривляют пространство-время, когда свет проходит мимо, он следует траектории вдоль контуров пространства-времени. Общая теория относительности также подтверждается измерением гравитационного красного смещения, которое правильно предсказывает, как гравитационное притяжение звезд увеличивает частоту их света.

Недавно обнаружение гравитационных волн предоставило убедительные доказательства того, что массивные объекты не только искажают пространство-время, но также могут создавать в нем рябь при столкновении двух объектов, таких как черные дыры.


Подробнее: Черная дыра поглощает нейтронную звезду


Гравитация как основная сила

Тем не менее, загадки остаются. Гравитация может быть одной из фундаментальных сил Вселенной, но в настоящее время она кажется принципиально несовместимой с другими.

Еще до Эйнштейна физики стремились сформулировать единую теорию, связывающую все физические аспекты Вселенной, включая все фундаментальные силы и частицы. «Теория всего» была бы высшим достижением физики.

В то время как квантовая теория поля (КТП) успешно объединяет электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия, она борется с включением общей теории относительности. Эйнштейн провел вторую половину своей карьеры, пытаясь понять, какое место занимает гравитация, но не продвинулся далеко.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *