Гравитация земли: Ой! Страница не найдена :(

ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ • Большая российская энциклопедия

Авторы: В. Л. Пантелеев, Л. В. Зотов

ГРАВИТАЦИО́ННОЕ ПО́ЛЕ ЗЕМЛИ́, в ас­тро­но­мии по­ни­ма­ет­ся как по­ле тя­го­те­ния (при­тя­же­ния), в гео­де­зии и гео­фи­зи­ке – как по­ле тя­же­сти.

По­ле тя­го­те­ния есть по­ле сил, ко­то­рые под­чи­ня­ют­ся все­мир­но­го тя­го­те­ния за­ко­ну. Г. п. З. как по­ле тя­го­те­ния ис­поль­зу­ет­ся в за­да­чах ас­тро­но­мии для по­строе­ния ор­бит кос­мич. тел (как ес­те­ст­вен­ных, так и ис­кус­ст­вен­ных) в ок­ре­ст­но­сти пла­не­ты Зем­ля.

По­ле тя­же­сти оп­ре­де­ля­ет­ся во вра­щаю­щей­ся сис­те­ме ко­ор­ди­нат с учё­том сил не­гра­ви­та­ци­он­ной при­ро­ды (уп­ру­гих, элек­тро­ста­тич., маг­нит­ных и др.), ко­то­рые удер­жи­ва­ют проб­ное те­ло не­под­виж­ным от­но­си­тель­но по­верх­но­сти Зем­ли (т. н. ре­ак­ция опо­ры). Рав­но­дей­ст­вую­щая сил ре­ак­ции опо­ры и при­тя­же­ния со­об­ща­ет проб­но­му те­лу цен­тро­ст­ре­ми­тель­ное ус­ко­ре­ние. Вслед­ст­вие не­инер­ци­аль­но­сти вра­щаю­щей­ся сис­те­мы от­счё­та воз­ни­ка­ет цен­тро­беж­ное ус­ко­ре­ние, об­рат­ное по на­прав­ле­нию цен­тро­стре­ми­тель­но­му и вы­зы­вае­мое цен­тро­беж­ной си­лой (см. Си­ла инер­ции). Под си­лой тя­же­сти по­ни­ма­ют рав­но­дей­ст­вую­щую сил при­тя­же­ния Зем­ли и цен­тро­беж­ной си­лы, пом­ня, что по­след­няя яв­ля­ет­ся лишь эф­фек­том ис­поль­зо­ва­ния не­инер­ци­аль­ной сис­те­мы от­счё­та. Не­зна­чи­тель­ный вклад в по­ле тя­же­сти вно­сит так­же дей­ст­вую­щее в ок­ре­ст­но­стях Зем­ли при­тя­же­ние Солн­ца, Лу­ны, пла­нет и др. тел. Г. п. З. как по­ле тя­же­сти – пред­мет изу­че­ния гра­ви­мет­рии.

Функ­ци­ей, опи­сы­ваю­щей Г. п. З., яв­ля­ет­ся гра­ви­тац. по­тен­ци­ал. Наи­бо­лее удоб­ная для из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­сти­ка Г. п. З. – его на­пря­жён­ность (си­ла, с кото­рой по­ле дей­ст­ву­ет на еди­нич­ную то­чеч­ную мас­су), яв­ляю­щая­ся пер­вой про­из­вод­ной гра­ви­тац. по­тен­циа­ла. Эта удель­ная си­ла име­ет раз­мер­ность ус­ко­ре­ния и во вра­щаю­щей­ся сис­те­ме от­счёта, свя­зан­ной с по­верх­но­стью Зем­ли, сов­па­да­ет с ус­ко­ре­ни­ем сво­бод­но­го па­де­ния проб­но­го те­ла. В гра­ви­мет­рии сло­во «удель­ная», как пра­ви­ло, опус­ка­ют и си­лу тя­же­сти измеряют в мил­ли­га­лах (1 мГал=10^–5 м/с²). Др. ре­ги­ст­ри­руе­мые ха­рак­те­ри­сти­ки Г. п. З. – вто­рые про­из­вод­ные гра­витационного по­тен­циа­ла. Еди­ни­цей из­ме­ре­ния вто­рых про­из­вод­ных гра­ви­тац. по­тен­циа­ла слу­жит эт­веш, рав­ный 10^–9 с^–2. Со­б­ран­ную ин­фор­ма­цию о Г. п. З. хра­нят в ви­де карт ано­ма­лий си­лы тя­же­сти (гра­ви­тац. ано­ма­лий) или ка­та­ло­гов гра­ви­мет­рич. пунк­тов.

Г. п. З. мо­жет быть ло­каль­ным, от­ра­жаю­щим рас­пре­де­ле­ние си­лы тя­же­сти на ог­ра­ни­чен­ных пло­ща­дях, или ре­гио­наль­ным. Ло­каль­ное Г. п. З. ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для ре­ше­ния за­дач гра­ви­та­ци­он­ной раз­вед­ки, ко­то­рая изу­ча­ет не­од­но­род­но­сти рас­пре­де­ле­ния масс в верх­них сло­ях зем­ной ко­ры, что при­ме­ня­ет­ся в т. ч. и для по­ис­ков по­лез­ных ис­ко­пае­мых. Ме­то­ды, раз­ра­бо­тан­ные для изу­че­ния ло­каль­но­го Г. п. З., ис­поль­зу­ют­ся так­же при ис­сле­до­ва­нии строе­ния верх­них сло­ёв др. пла­нет и Лу­ны. Напр., в 1968 амер. учё­ные У. Сьёг­рен и П.  Мюл­лер, ис­сле­дуя лу­че­вые ус­ко­ре­ния (со­став­ляю­щие ус­ко­ре­ния, на­прав­лен­ные по лу­чу зре­ния на­блю­да­те­ля) ис­кус­ст­вен­ных спут­ни­ков Лу­ны, об­на­ру­жи­ли до­воль­но зна­чи­тель­ные по­ло­жи­тель­ные гра­ви­тац. ано­ма­лии над лун­ны­ми мо­ря­ми, что мож­но объ­яс­нить толь­ко кон­цен­тра­ци­ей масс у по­верх­но­сти Лу­ны. По­доб­ные гео­ло­гич. струк­ту­ры бы­ли на­зва­ны мас­ко­на­ми. При­зна­ки мас­ко­нов на­шли так­же на Мер­ку­рии, Мар­се и да­же на Зем­ле.

Ре­гио­наль­ное Г. п. З. ис­поль­зу­ют пре­ж­де все­го для ре­ше­ния фи­зич. за­дач гео­де­зии, для оп­ре­де­ле­ния па­ра­мет­ров об­ще­го зем­но­го эл­лип­сои­да (ОЗЭ) как те­ла от­счё­та, для по­строе­ния гео­гра­фич. карт, вы­чис­ле­ния вы­сот ква­зи­гео­и­да и ук­ло­не­ний от­вес­ных ли­ний (см. Гео­де­зи­че­ская гра­ви­мет­рия). Па­ра­мет­ры ОЗЭ вхо­дят в ал­го­рит­мы об­ра­бот­ки спут­ни­ко­вых дан­ных для оп­ре­де­ле­ния гео­де­зич. ко­ор­ди­нат в спут­ни­ко­вых сис­те­мах по­зи­цио­ни­ро­ва­ния.

По­тен­ци­ал ре­гио­наль­но­го по­ля тя­го­тения в дан­ной точ­ке за­ви­сит от точ­но­го рас­стоя­ния до цен­тра Зем­ли, гео­гра­фич. ши­ро­ты и дол­го­ты мес­та; его зна­че­ние за­да­ёт­ся в ви­де раз­ло­же­ния в ряд по сфе­ри­че­ским (на по­верх­но­сти Зем­ли) или ша­ро­вым (в про­стран­ст­ве) функ­ци­ям. Ана­ло­гич­ное пред­став­ле­ние по­тен­циа­ла по­ля тя­же­сти вклю­ча­ет так­же допол­ни­тель­ный член ря­да, от­ве­чаю­щий за цен­тро­беж­ные си­лы.

Для удоб­ст­ва ре­ше­ния разл. за­дач Г. п. З. ус­лов­но раз­де­ля­ет­ся на нор­маль­ную и ано­маль­ную час­ти. Нор­маль­ная часть со­от­вет­ст­ву­ет идеа­ли­зи­ро­ван­ной Зем­ле («нор­маль­ной» Зем­ле) про­стой гео­мет­ри­че­ской фор­мы и с про­стым рас­пре­де­ле­ни­ем плот­но­сти внут­ри неё. Ано­маль­ная часть по­ля мень­ше по ве­ли­чи­не и от­ра­жа­ет де­та­ли фи­гу­ры и рас­пре­де­ле­ния плот­но­сти ре­аль­ной Зем­ли. Нор­маль­ным гра­ви­тац. по­тен­циа­лом на­зы­ва­ют при­бли­жён­ное пред­став­ле­ние Г. п. З., за­дан­ное пер­вы­ми чле­на­ми раз­ло­же­ния по­тен­циа­ла в ряд по ша­ро­вым функ­циям. 22B)$, где $B$ – гео­де­зич. ши­ро­та точ­ки. Чис­лен­ные зна­че­ния ко­эф­фи­ци­ен­тов $β$, $β_1$ и $γ_e$ ут­вер­жда­ют­ся ме­ж­ду­нар. со­об­ще­ст­вом гео­де­зис­тов и гео­фи­зи­ков. Ме­ж­ду­нар. фор­му­ла для нор­маль­ной си­лы тя­же­сти, при­ня­тая на 14-й Ге­не­раль­ной ас­самб­лее гео­де­зии и гео­фи­зи­ки в 1967, име­ет сле­дую­щие ко­эф­фи­ци­ен­ты: $γ_e$= 978031,8 мГал, $β$=0,0053024, $β_1$=0,0000059. При этом сжа­тие пла­не­ты Зем­ля ока­зы­ва­ет­ся рав­ным $α$=1/298,249.

Г. п. З. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся сле­дую­щи­ми чи­с­ло­вы­ми зна­че­ния­ми ве­ли­чин: си­ла тя­же­сти на эк­ва­то­ре со­став­ля­ет 978032,78 мГал, на по­лю­се – 983218,53 мГал; максимальная ано­ма­лия си­лы тя­же­сти не пре­выша­ет 400 мГал; нор­маль­ный вер­ти­каль­ный гра­ди­ент си­лы тя­же­сти – 0,3086 мГал/м; максимальное от­кло­не­ние от­весной ли­нии 20″; диа­па­зон пе­рио­дич. лун­но-сол­неч­ных ва­риа­ций си­лы тя­же­сти ме­нее 0,3 мГал; воз­мож­ная ве­ли­чи­на ве­ко­во­го из­ме­не­ния си­лы тя­же­сти ме­нее 0,01 мГал/год.

Г. п. З. ис­поль­зу­ют для оп­ре­де­ле­ния фи­гу­ры геоида – одной из уро­вен­ных по­верх­но­стей Зем­ли. На­прав­ле­ние век­то­ра си­лы тя­же­сти (нор­ма­ли к уро­вен­ной по­верх­но­сти) за­да­ёт по­ло­же­ние ас­тро­но­мич. зе­ни­та. Для мн. за­дач на­ви­га­ции важ­но знать от­кло­не­ние от­вес­ной ли­нии от нор­ма­ли к об­ще­му зем­но­му эл­лип­сои­ду.

Вто­рые про­из­вод­ные по­тен­циа­ла тя­же­сти так­же ис­поль­зу­ют для ре­ше­ния гео­ло­го-раз­ве­доч­ных и гео­де­зич. за­дач. Ано­маль­ная часть вто­рых про­из­вод­ных по ве­ли­чи­не дос­ти­га­ет де­сят­ков, а в го­рах – со­тен эт­веш. Вто­рые про­из­вод­ные гра­ви­тац. по­тен­циа­ла из­ме­ря­ют гра­ви­та­ци­он­ны­ми ва­рио­мет­ра­ми, пер­вые про­из­вод­ные – гра­ви­мет­ра­ми.

Сила тяготения гравитация. Земное притяжение

ПостНаука развенчивает научные мифы и объясняет общепринятые заблуждения. Мы попросили наших экспертов рассказать о гравитации – силе, из-за которой все тела стремятся упасть на Землю, – и единственном фундаментальном взаимодействии, в котором напрямую участвуют все частицы, которые мы знаем.

Искусственные спутники Земли будут обращаться вокруг нее вечно

Это правда, но отчасти. Зависит это от орбиты. На низких орбитах спутники вечно вокруг Земли не обращаются. Это связано с тем, что, помимо гравитации, существуют и другие факторы. То есть если бы, допустим, у нас была только Земля и мы бы запустили на ее орбиту спутник, то он летал бы очень долго. Летать вечно он не будет, потому что существуют различные возмущающие факторы, которые его могут свести с орбиты. В первую очередь это торможение в атмосфере, то есть это негравитационные факторы. Таким образом, связь этого мифа с гравитацией неочевидна.

Если спутник обращается на высоте до тысячи километров над Землей, то торможение в атмосфере будет влиять. На более высоких орбитах начинают действовать прочие гравитационные факторы – притяжение Луны, других планет . Если спутник оставить бесконтрольно на орбите вокруг Земли, то его орбита будет эволюционировать хаотически на больших интервалах времени из-за того, что Земля не единственное притягивающее тело. Не уверен, что эта хаотическая эволюция обязательно приведет к падению спутника на Землю – он может улететь или перейти на другую орбиту. Другими словами, он может летать вечно, но не по одной и той же орбите.

В космосе нет гравитации

Это неправда. Иногда кажется, что раз на МКС космонавты находятся в состоянии невесомости, то и земная гравитация на них не действует. Это не так. Более того, она там почти такая же, как на Земле.

В самом деле, сила гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Высота орбиты МКС примерно на 10% больше земного радиуса. Поэтому сила притяжения там лишь немного меньше. Однако космонавты испытывают состояние невесомости, так как они как бы все время падают на Землю, но промахиваются.

Можно представить себе такую картину. Построим башню высотой километров 400 (неважно, что сейчас нет таких материалов, чтобы ее сделать). Поставим наверху стул и сядем на него.

Мимо пролетает МКС, то есть мы находимся совсем-совсем рядом. Мы сидим на стуле и «весим» (хотя по сравнению с нашим весом на поверхности Земли мы полегчали, но зато нам надо надеть скафандр, так что это компенсирует наше «похудание»), а на МКС космонавты парят в невесомости. Но мы находимся в одном и том же гравитационном потенциале.

Современные теории гравитации являются геометрическими. То есть массивные тела искажают пространство-время вокруг себя. Чем ближе мы к тяготеющему телу, тем больше искажение. Как вы двигаетесь по искривленному пространству – это уже не так важно. Оно остается искривленным, то есть гравитация никуда не делась.

Парад планет может «уменьшить гравитацию» на Земле

Это неправда. Парадами планет называют такие моменты, когда все планеты выстраиваются в цепочку по направлению к Солнцу и их гравитационные силы складываются арифметически. Разумеется, на одной прямой все планеты никогда не соберутся, но если ограничиться требованием, чтобы все восемь планет собрались в гелиоцентрическом секторе с углом раствора не более 90°, то такие «большие» парады иногда происходят – в среднем один раз за 120 лет.

Может ли совместное влияние планет изменить гравитацию на Земле? Любители физики знают, что сила тяготения изменяется прямо пропорционально массе тела и обратно пропорционально квадрату расстояния до него (М/R2). Наибольшее гравитационное влияние на Землю оказывают (она не очень массивна, но расположена близко) и (он очень массивен). Простой расчет показывает, что наше притяжение к Венере даже при наибольшем с ней сближении в 50 млн раз слабее нашего притяжения к Земле; для Юпитера это соотношение составляет 30 млн. То есть если ваш вес около 70 кг, то Венера и Юпитер тянут вас к себе с силой примерно в 1 миллиграмм. Во время парада планет они тянут в разные стороны, практически компенсируя влияние друг друга.

Но это еще не все. Обычно под гравитацией Земли мы понимаем не силу притяжения к планете, а наш вес.

А он зависит еще и от того, как мы движемся. Например, космонавтов на МКС и нас с вами Земля притягивает почти одинаково, но у них там невесомость, поскольку они находятся в состоянии свободного падения, а мы упираемся в Землю. А по отношению к другим планетам мы все ведем себя, как экипаж МКС: вместе с Землей мы свободно «падаем» на каждую из окружающих планет. Поэтому мы не ощущаем даже того миллиграмма, о котором было сказано выше.

Но некоторый эффект все же есть. Дело в том, что мы, живя на поверхности Земли, и сама Земля, если иметь в виду ее центр, находимся на разном расстоянии от притягивающих нас планет. Эта разница не превышает размера Земли, но иногда имеет значение. Именно из-за нее в океанах под влиянием притяжения Луны и Солнца возникают приливы и отливы. Но если иметь в виду человека и притяжение к планетам, то этот приливный эффект невероятно слаб (в десятки тысяч раз слабее прямого притяжения к планетам) и составляет для каждого из нас менее одной миллионной доли грамма – практически ноль.

Владимир Сурдин

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ

Тело, подлетающее к черной дыре, будет разорвано

Это неправда.

При приближении к сила гравитации и приливные силы возрастают. Но вовсе не обязательно приливные силы становятся крайне велики, когда объект подлетает к горизонту событий.

Приливные силы зависят от массы, вызывающего прилив тела, расстояния до него и от размеров объекта, в котором формируется прилив. Важно, что расстояние считается до центра тела, а не до поверхности. Так что приливные силы на горизонте черной дыры всегда имеют конечное значение.

У черной дыры размер прямо пропорционален массе. Так что, если мы возьмем какой-то предмет и будем кидать его в разные черные дыры, приливные силы будут зависеть только от массы черной дыры. Причем чем больше масса, тем прилив слабее на горизонте.

Гравитационная сила – фундамент на котором держится Вселенная. Благодаря силе тяжести Солнце не взрывается, атмосфера не улетучивается в космос, люди и животные свободно передвигаются по поверхности, а растения дают плоды.

Небесная механика и теория относительности

Закон всемирного тяготения изучают в 8-9 классе средней школы. Прилежные ученики знают о знаменитом яблоке упавшем на голову великого Исаака Ньютона и об открытиях, которые за этим последовали. На самом деле, дать четкое определение гравитации гораздо сложнее. Современные ученые продолжают дискуссии на тему, как взаимодействуют тела в открытом космосе и существует ли антигравитация. Изучить данное явление в земных лабораториях крайне сложно, поэтому выделяют несколько базовых теорий гравитации:

Ньютоновская гравитация

В 1687 г. Ньютон заложил основы небесной механики, которая изучает движение тел в пустом пространстве. Он рассчитал силу притяжения Луны к Земле. Согласно формуле, эта сила напрямую зависит от их массы и расстояния между объектами.

F = (G m1 m2)/r2
Гравитационная постоянная G=6.67*10-11

Уравнение не совсем актуально, когда анализируется сильное гравитационное поле или притяжение более двух объектов.

Теория гравитации Эйнштейна

В ходе различных экспериментов ученые пришли к выводу, что в формуле Ньютона есть некоторые погрешности. Основой небесной механики является дальнодействующая сила, срабатывающая моментально в независимости от расстояния, что не соответствует теории относительности.

Согласно разработанной в начале 20 века теории А.Эйнштейна информация не распространяется быстрее скорости света в вакууме, поэтому гравитационные эффекты возникают в результате деформации пространства-времени. Чем больше масса объекта, тем больше искривление в которое скатываются более легкие объекты.

Квантовая гравитация

Очень противоречивая и не до конца сформированная теория, которая объясняет взаимодействие тел, как обмен особыми частицами – гравитонами.

В начале 21 века ученым удалось провести несколько значимых экспериментов, в том числе с помощью адронного коллайдера, и разработать теорию петлевой квантовой гравитации и теорию струн.

Вселенная без гравитации

В фантастических романах часто описываются различные гравитационные искажения, антигравитационные камеры и космические корабли с искусственным гравитационным полем. Читатели иногда даже не задумаются насколько нереальны сюжеты книг и что будет, если сила тяжести уменьшится/увеличится или совершенно исчезнет.

1. Человек адаптирован к земной гравитации, поэтому в других условиях ему придется кардинально измениться. Невесомость приводит к атрофии мышц, сокращению числа эритроцитов и нарушению в работе всех жизненно важных систем организма, а при увеличении гравитационного поля люди просто не смогут сдвинуться с места.
2. Воздух и вода, растения и животные, дома и машины улетят в открытый космос. Даже если людям удастся остаться они быстро погибнут без кислорода и еды. Низкая гравитация на Луне – это основная причина отсутствия не ней атмосферы, соответственно и жизни.
3. Наша планета развалится на части, поскольку исчезнет давление в самом центре Земли, начнется извержение всех существующих вулканов и расхождение тектонических плит.
4. Звезды взорвутся из-за сильного давления и хаотичного столкновения частиц в ядре.
5. Вселенная превратится в бесформенное рагу из атомов и молекул, которые неспособны соединиться для создания чего-то большего.

К счастью для человечества, отключение гравитации и страшные события, которые за этим последую никогда не произойдут. Темный сценарий просто демонстрирует насколько важна гравитация. Она значительно слабее чем электромагнетизм , сильное или слабое взаимодействия, но фактически без неё наш мир перестанет существовать.

Дон Деянг

Сила тяжести (или гравитация) прочно держит нас на земле и позволяет земле вращаться вокруг солнца. Благодаря этой невидимой силе дождь падает на землю, а уровень воды в океане каждый день то повышается, то снижается. Гравитация удерживает землю в сферической форме, а также не дает нашей атмосфере улетучиться в космическое пространство. Казалось бы, эта наблюдаемая каждый день сила притяжения должна быть хорошо изучена учеными. Но, нет! Во многом гравитация остается глубочайшей тайной для науки. Эта таинственная сила является замечательным примером того, насколько ограничены современные научные знания.

Что такое гравитация?

Исаак Ньютон интересовался этим вопросом еще в 1686 году и пришел к выводу, что гравитация – это сила притяжения, существующая между всеми предметами. Он понял, что та же самая сила, которая заставляет яблоко падать на землю, на своей орбите. На самом деле сила притяжения Земли служит причиной того, что во время вращения вокруг Земли Луна отклоняется каждую секунду от своего прямого пути примерно на один миллиметр (Рисунок 1). Универсальный Закон Гравитации Ньютона является одним из наибольших научных открытий всех времен.

Гравитация – «веревка», которая удерживает объекты на орбите

Рисунок 1. Иллюстрация орбиты луны, сделанная не в соответствии с масштабом. За каждую секунду луна проходит примерно 1 км. За это расстояние она отклоняется от прямого пути примерно на 1 мм – это происходит вследствие гравитационной тяги Земли (пунктирная линия). Луна постоянно как бы падает за (или вокруг) землей, как падают и планеты вокруг солнца.

Сила тяжести – одна из четырех фундаментальных сил природы (Таблица 1). Обратите внимание на то, что из четырех сил эта сила самая слабая, и все же она является доминирующей относительно крупных космических объектов. Как показал Ньютон, притягательная гравитационная сила между двумя любыми массами становится все меньше и меньше по мере того, как расстояние между ними становится все больше и больше, но она никогда полностью не достигает нуля (смотрите «Замысел гравитации»).

Поэтому каждая частица во всей вселенной фактически притягивает любую другую частицу. В отличие от сил слабого и сильного ядерного взаимодействия, сила притяжения является дальнодействующей (Таблица 1). Магнитная сила и сила электрического взаимодействия также являются дальнодействующими силами, но гравитация уникальна тем, что она и дальнодействующая и всегда притягательная, а значит, она никогда не может иссякнуть (в отличие от электромагнетизма, в котором силы могут либо притягивать, либо отталкивать).

Начиная с великого ученого-креациониста Майкла Фарадея в 1849 году, физики постоянно искали скрытую связь между силой притяжения и силой электромагнитного взаимодействия. В настоящее время ученые пытаются соединить все четыре фундаментальные силы в одно уравнение или так называемую «Теорию всего», но, безуспешно! Гравитация остается самой загадочной и наименее изученной силой.

Гравитацию невозможно каким-либо образом оградить. Каким бы ни был состав преграждающей перегородки, она не имеют никакого влияния на притяжение между двумя разделенными объектами. Это означает, что в лабораторных условиях невозможно создать антигравитационную камеру. Сила тяжести не зависит от химического состава объектов, но зависит от их массы, известной нам как вес (сила тяжести на объект равна весу этого объекта – чем больше масса, тем больше сила или вес.) Блоки, состоящие из стекла, свинца, льда или даже стирофома, и имеющие одинаковую массу, будут испытывать (и оказывать) одинаковую гравитационную силу. Эти данные были получены в ходе экспериментов, и ученые до сих пор не знают, как их можно теоретически объяснить.

Замысел в гравитации

Сила F между двумя массами m 1 и m 2 , находящимися на расстоянии r, может быть записана в виде формулы F = (G m 1 m 2)/r 2

Где G – это гравитационная постоянная, впервые измеренная Генри Кавендишем в 1798 году.1

Это уравнение показывает, что гравитация снижается по мере того, как расстояние, r, между двумя объектами становится больше, но полностью никогда не достигает нуля.

Подчиняющаяся закону обратных квадратов природа этого уравнения просто захватывает. В конце концов, нет никакой необходимой причины, почему сила притяжения должна действовать именно так. В беспорядочной, случайной и эволюционирующей вселенной такие произвольные степени, как r 1.97 или r 2.3 казались бы более вероятными. Однако точные измерения показали точную степень, по крайней мере, до пяти десятичных разрядов, 2.00000. Как сказал один исследователь, этот результат кажется «слишком уж точным» .2 Мы можем сделать вывод, что сила притяжения указывает на точный, сотворенный дизайн. На самом деле, если бы степень хоть на чуть-чуть отклонилась от 2, орбиты планет и вся вселенная стали бы нестабильными.

Ссылки и примечания

1. Говоря техническим языком, G = 6.672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
2. Томпсен, Д., «Очень точно о гравитации», Science News 118(1):13, 1980.

Так что же такое в действительности гравитация? Каким образом эта сила способна действовать в таком огромном, пустом космическом пространстве? И зачем она вообще существует? Науке никогда не удавалось ответить на эти основные вопросы о законах природы. Сила притяжения не может появиться медленно путем мутаций или естественного отбора. Она действует с самого начала существования вселенной. Как и всякий другой физический закон, гравитация, несомненно, является замечательным свидетельством запланированного сотворения.

Одни ученые пытались объяснить гравитацию с помощью невидимых частиц, гравитонов, которые движутся между объектами. Другие говорили о космических струнах и гравитационных волнах. Недавно ученым с помощью специально созданной лаборатории LIGO (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) удалось только увидеть эффект гравитационных волн. Но природу этих волн, каким образом физически объекты взаимодействуют друг с другом на огромных расстояниях, изменяя их фору, все же остается для всех большим вопросом. Мы просто не знаем природу возникновения силы гравитации и каким образом она удерживает стабильность всей вселенной.

Сила притяжения и Писание

Два места из Библии могут помочь нам понять природу гравитации и физическую науку в целом. Первое место, Колоссянам 1:17, объясняет, что Христос «есть прежде всего, и все Им стоит» . Греческий глагол стоит (συνισταω sunistao ) означает: сцепляться, сохраняться или удерживаться вместе. Греческое использование этого слова за пределами Библии обозначает сосуд, с содержащейся в нем водой . Слово, которое используется в книге Колоссянам, стоит в совершенном времени, что как правило, указывает на настоящее продолжающееся состояние, которое возникло из завершенного прошедшего действия. Один из используемых физических механизмов, о котором идет речь, явно сила притяжения, установленная Творцом и безошибочно поддерживаемая и сегодня. Только представьте: если бы на мгновение перестала действовать сила притяжения, несомненно, наступил бы хаос. Все небесные тела, включая землю, луну и звезды, не удерживались бы больше вместе. Все тот час разделилось бы на отдельные, маленькие части.

Второе место Писания, Евреям 1:3, заявляет, что Христос «держит все словом силы Своей». Слово держит (φερω pherō ) снова описывает поддерживание или сохранение всего, включая гравитацию. Слово держит , используемое в этом стихе, означает намного больше, чем просто удерживание веса. Оно включает контроль над всеми происходящими движениями и изменениями внутри вселенной. Это бесконечное задание выполняется через всемогущее Слово Господа, посредством которого начала существовать сама вселенная. Гравитация, «таинственная сила», которая и через четыреста лет исследований остается плохо изученной, является одним из проявлений этой потрясающей божественной заботы о вселенной.

Искажения времени и пространства и черные дыры

Общая теория относительности Эйнштейна рассматривает гравитацию не как силу, а как искривление самого пространства вблизи массивного объекта. Согласно предсказаниям, свет, который традиционно следует по прямым линиям, искривляется при прохождении по искривленному пространству. Впервые это было продемонстрировано, когда астроном сэр Артур Эддингтон обнаружил изменение кажущегося положения звезды во время полного затмения в 1919 году, считая, что лучи света изгибаются под действием силы тяжести солнца.

Общая теория относительности также предсказывает, что если тело достаточно плотное, его сила тяжести исказит пространство настолько сильно, что свет вообще не сможет через него проходить. Такое тело поглощает свет и все остальное, что захватила его сильная гравитация, и носит название Черная дыра. Такое тело можно обнаружить только по его гравитационным эффектам на другие объекты, по сильному искривлению света вокруг него и по сильной радиации, излучаемой веществом, которое на него падает.

Все вещество внутри черной дыры сжато в центре, который имеет бесконечную плотность. «Размер» дыры определяется горизонтом событий, т.е. границей, которая окружает центр черной дыры, и ничто (даже свет) не может выйти за ее пределы. Радиус дыры называется радиусом Шварцшильда, в честь немецкого астронома Карла Шварцшильда (1873–1916), и вычисляется по формуле R S = 2GM/c 2 , где c – это скорость света в вакууме. Если бы солнце попало в черную дыру, его радиус Шварцшильда составлял бы всего 3 км.

Существует надежное доказательство, что после того, как ядерное топливо массивной звезды иссякает, она больше не может противостоять коллапсу под своим собственным огромным весом и попадает в черную дыру. Считается, что черные дыры с массой в миллиарды солнц существуют в центрах галактик, включая нашу галактику, Млечный Путь. Многие ученые полагают, что суперяркие и очень отдаленные объекты под названием квазары, используют энергию, которая выделяется, когда вещество падает в черную дыру.

Согласно предсказаниям общей теории относительности, сила тяжести также искажает и время. Это также было подтверждено очень точными атомными часами, которые на уровне моря идут на несколько микросекунд медленнее, чем на территориях выше уровня моря, где сила тяжести Земли немного слабее. Вблизи горизонта событий это явление более заметно. Если наблюдать за часами астронавта, который приближается к горизонту событий, мы увидим, что часы идут медленнее. Находясь в горизонте событий, часы остановятся, но мы никогда не сможем этого увидеть. И наоборот, астронавт не заметит, что его часы идут медленнее, но он увидит, что наши часы идут быстрее и быстрее.

Основной опасностью для астронавта возле черной дыры были бы приливные силы, вызванные тем, что сила тяжести сильнее на тех частях тела, которые находятся ближе к черной дыре, чем на частях дальше от нее. По своей мощи приливные силы возле черной дыры, имеющей массу звезды, сильнее любого урагана и запросто разрывают на мелкие кусочки все, что им попадается. Однако, тогда как гравитационное притяжение уменьшается с квадратом расстояния (1/r 2), приливно-отливное явление уменьшается с кубом расстояния (1/r 3). Поэтому в отличие от принятого мнения, гравитационная сила (включая приливную силу) на горизонтах событий больших черных дыр слабее, чем на маленьких черных дырах. Так что приливные силы на горизонте событий черной дыры в наблюдаемом космосе, были бы менее заметны, чем самый мягкий ветерок.

Растяжение времени под действием силы тяжести вблизи горизонта событий является основой новой космологической модели физика-креациониста, доктора Рассела Хамфриса, о которой он рассказывает в своей книге «Свет звезд и время». Эта модель, возможно, помогает решить проблему того, как мы можем видеть свет отдаленных звезд в молодой вселенной. К тому же на сегодня она является научной альтернативой небиблейской , которая основывается на философских предположениях, выходящих за рамки науки.

Примечание

Гравитация, «таинственная сила», которая и через четыреста лет исследований остается плохо изученной…

Исаак Ньютон (1642–1727)

Фотография: Wikipedia.org

Исаак Ньютон (1642–1727)

Исаак Ньютон опубликовал свои открытия о гравитации и движении небесных тел в 1687 году, в своей известной работе «Математические начала ». Некоторые читатели быстро сделали вывод, что вселенная Ньютона не оставила места для Бога, так как все теперь можно объяснить с помощью уравнений. Но Ньютон совсем так не думал, о чем он и сказал во втором издании этой известной работы:

«Наша наиболее прекрасная солнечная система, планеты и кометы могут быть результатом только плана и господства разумного и сильного существа».

Исаак Ньютон был не только ученым. Помимо науки он почти всю свою жизнь посвятил исследованию Библии. Его любимыми библейскими книгами были: книга Даниила и книга Откровение, в которых описываются Божьи планы на будущее. На самом деле Ньютон написал больше теологических работ, чем научных.

Ньютон уважительно относился к другим ученым, таким как Галилео Галилей. Кстати Ньютон родился в то же год, когда умер Галилей, в 1642 году. Ньютон писал в своем письме: «Если я и видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». Незадолго до смерти, наверное, размышляя о тайне силы тяжести, Ньютон скромно писал: «Не знаю, как меня воспринимает мир, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, который развлекается тем, что время от времени отыскивает камешек более пестрый, чем другие, или красивую ракушку, в то время как передо мной расстилается огромный океан неисследованной истины».

Ньютон похоронен в Вестминстерском аббатстве. Латинская надпись на его могиле заканчивается словами: «Пусть смертные радуются, что среди них жило такое украшение человеческого рода» .

Гравитация – самая таинственная сила во Вселенной. Ученые не знают до конца ее природы. Именно она удерживает на орбитах планеты Солнечной системы. Это сила, возникающая между двумя объектами и зависящая от массы и расстояния.

Гравитацию называют силой притяжения или тяготения. С помощью нее планета или другое тело тянет объекты к своему центру. Сила тяжести удерживает планеты на орбите вокруг Солнца.

Что еще делает гравитация?

Почему вы приземляетесь на землю, когда вскакиваете, а не уплываете в космос? Почему предметы падают, когда вы их бросаете? Ответ — невидимая сила тяжести, которая тянет объекты друг к другу. Земная гравитация — это то, что держит вас на земле и заставляет вещи падать.

Все, что имеет массу, имеет гравитацию. Мощь гравитации зависит от двух факторов: массы предметов и расстояния между ними. Если взять в руки камень и перо, с одинаковой высоты отпустить их, оба предмета упадут на землю. Тяжелый камень упадет быстрее пера. Перо еще повисит в воздухе, потому что оно легче. Объекты с большей массой имеют большую силу притяжения, которая становится слабее с расстоянием: чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их гравитационное тяготение.

Гравитация на Земле и во Вселенной

Во время полета самолета люди в нем остаются на местах и могут передвигаться как на земле. Так происходит из-за траектории полета. Существует специально разработанные самолеты, в которых на определенной высоте отсутствует гравитация, образуется невесомость. Самолет выполняет специальный маневр, масса предметов меняется, они ненадолго поднимаются в воздух. Через несколько секунд гравитационное поле восстанавливается.

Рассматривая силу гравитации в Космосе, у земного шара она больше большинства планет. Достаточно посмотреть движение космонавтов при высадке на планеты. Если по земле мы ходим спокойно, то там космонавты как бы парят в воздухе, но не улетают в космос. Это значит, что у данной планеты тоже есть сила тяготения, просто несколько иная, чем у планеты Земля.

Сила притяжения Солнца настолько велика, что удерживает девять планет, многочисленные спутники, астероиды и планеты.

Гравитация играет важнейшую роль в развитии Вселенной. При отсутствии силы тяготения, не было бы звезд, планет, астероидов, черных дыр, галактик. Интересно, что черных дыр на самом деле не видно. Ученые определяют признаки черной дыры по степени мощности гравитационного поля в определенной области. Если оно очень сильное с сильнейшим колебанием, это говорит о существовании черной дыры.

Миф 1. В космосе отсутствует гравитация

Просматривая документальные фильмы о космонавтах, кажется, что они парят над поверхностью планет. Так происходит из-за того, что на других планетах гравитация ниже, чем на Земле, поэтому космонавты идут как бы паря в воздухе.

Миф 2. Все приближающиеся к черной дыре тела разрываются

Черные дыры обладают мощной силой и образуют мощные гравитационные поля. Чем ближе объект к черной дыре, тем сильнее становятся приливные силы и мощность притяжения. Дальнейшее развитие событий зависит от массы объекта, размера черной дыры и расстояния между ними. Черная дыра имеет массу прямо противоположную ее размеру. Интересно, что чем больше размер дыры, тем слабее приливные силы и наоборот. Таким образом, не все объекты разрываются при попадании в поле черной дыры.

Миф 3. Искусственные спутники могут обращаться вокруг Земли вечно

Теоретически можно так сказать, если бы не влияние второстепенных факторов. Многое зависит от орбиты. На низкой орбите спутник вечно летать не сможет из-за атмосферного торможения, на высоких орбитах он может находиться в неизменном состоянии довольно долго, но здесь вступают в силу гравитационные силы других объектов.

Если бы из всех планет существовала только Земля, спутник притягивался бы к ней и практически не менял траекторию движения. Но на высоких орбитах объект окружает множество планет, больших и малых, каждая со своей силой тяготения.

В этом случае спутник бы постепенно отходил от своей орбиты и двигался хаотично. И, вполне вероятно, что по прошествии какого-то времени, он рухнул бы на ближайшую поверхность или перешел на другую орбиту.

Некоторые факты

1. В некоторых уголках Земли сила гравитации имеет более слабую силу, чем на всей планете. Например, в Канаде, в районе Гудзонова залива сила притяжения ниже.
2. Когда космонавты возвращаются из космоса на нашу планету, в самом начале им сложно приспособиться к гравитационной силе земного шара. Иногда это занимает несколько месяцев.
3. Самой мощной силой гравитации среди космических объектов обладают черные дыры. Одна черная дыра размером с мячик имеет силу больше, чем любая планета.

Несмотря на непрекращающееся изучение силы притяжения, гравитация остается нераскрытой. Это означает, что научные знания остаются ограниченными и человечеству предстоит познать много нового.

Не смотря на то, что гравитация – это слабейшее взаимодействие между объектами во Вселенной, ее значение в физике и астрономии огромно, так как она способна оказывать влияние на физические объекты на любом расстоянии в космосе.

Если вы увлекаетесь астрономией, вы наверняка задумывались над вопросом, что собой представляет такое понятие, как гравитация или закон всемирного тяготения. Гравитация – это универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми объектами во Вселенной.

Открытие закона гравитации приписывают знаменитому английскому физику Исааку Ньютону. Наверное, многим из вас известна история с яблоком, упавшим на голову знаменитому ученому. Тем не менее, если заглянуть вглубь истории, можно увидеть, что о наличии гравитации задумывались еще задолго до его эпохи философы и ученые древности, например, Эпикур. Тем не менее, именно Ньютон впервые описал гравитационное взаимодействие между физическими телами в рамках классической механики. Его теорию развил другой знаменитый ученый – Альберт Эйнштейн, который в своей общей теории относительности более точно описал влияние гравитации в космосе, а также ее роль в пространственно-временном континууме.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что сила гравитационного притяжения между двумя точками массы, разделенными расстоянием обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна обеим массам. Сила гравитации является дальнодействующей. То есть, в независимости от того, как будет двигаться тело, обладающее массой, в классической механике его гравитационный потенциал будет зависеть сугубо от положения этого объекта в данный момент времени. Чем больше масса объекта, тем больше его гравитационное поле – тем более мощной гравитационной силой он обладает. Такие космически объекты, как галактики, звезды и планеты обладают наибольшей силой притяжения и соответственно достаточно сильными гравитационными полями.

Гравитационные поля

Гравитационное поле Земли

Гравитационное поле – это расстояние, в пределах которого осуществляется гравитационное взаимодействие между объектами во Вселенной. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное поле – тем ощутимее его воздействие на другие физические тела в пределах определенного пространства. Гравитационное поле объекта потенциально. Суть предыдущего утверждения заключается в том, что если ввести потенциальную энергию притяжения между двумя телами, то она не изменится после перемещения последних по замкнутому контуру. Отсюда выплывает еще один знаменитый закон сохранения суммы потенциальной и кинетической энергии в замкнутом контуре.

В материальном мире гравитационное поле имеет огромное значения. Им обладают все материальные объекты во Вселенной, у которых есть масса. Гравитационное поле способно влиять не только на материю, но и на энергию. Именно за счет влияния гравитационных полей таких крупных космических объектов, как черные дыры, квазары и сверхмассивные звезды, образуются солнечные системы, галактики и другие астрономические скопления, которым свойственна логическая структура.

Последние научные данные показывают, что знаменитый эффект расширения Вселенной так же основан на законах гравитационного взаимодействия. В частности расширению Вселенной способствуют мощные гравитационные поля, как небольших, так и самых крупных ее объектов.

Гравитационное излучение в двойной системе

Гравитационное излучение или гравитационная волна – термин, впервые введенный в физику и космологии известным ученым Альбертом Эйнштейном. Гравитационное излучение в теории гравитации порождается движением материальных объектов с переменным ускорением. Во время ускорения объекта гравитационная волна как бы «отрывается» от него, что приводит к колебаниям гравитационного поля в окружающем пространстве. Это и называют эффектом гравитационной волны.

Хотя гравитационные волны предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, а также другими теориями гравитации, они еще ни разу не были обнаружены напрямую. Связано это в первую очередь с их чрезвычайной малостью. Однако в астрономии существуют косвенные свидетельства, способные подтвердить данный эффект. Так, эффект гравитационной волны можно наблюдать на примере сближения двойных звезд. Наблюдения подтверждают, что темпы сближения двойных звезд в некоторой степени зависят от потери энергии этих космических объектов, которая предположительно затрачивается на гравитационное излучение. Достоверно подтвердить эту гипотезу ученые смогут в ближайшее время при помощи нового поколения телескопов Advanced LIGO и VIRGO.

В современной физике существует два понятия механики: классическая и квантовая. Квантовая механика была выведена относительно недавно и принципиально отличается от механики классической. В квантовой механике у объектов (квантов) нет определенных положений и скоростей, все здесь базируется на вероятности. То есть, объект может занимать определенное место в пространстве в определенный момент времени. Куда переместиться он дальше, достоверно определить нельзя, а только с высокой долей вероятности.

Интересный эффект гравитации заключается в том, что она способна искривлять пространственно-временной континуум. Теория Эйнштейна гласит, что в пространстве вокруг сгустка энергии или любого материального вещества пространство-время искривляется. Соответственно меняется траектория частиц, которые попадают под воздействие гравитационного поля этого вещества, что позволяет с высокой долей вероятности предсказать траекторию их движения.

Теории гравитации

Сегодня ученым известно свыше десятка различных теорий гравитации. Их подразделяют на классические и альтернативные теории. Наиболее известными представителем первых является классическая теория гравитации Исаака Ньютона, которая была придумана известным британским физиком еще в 1666 году. Суть ее заключается в том, что массивное тело в механике порождает вокруг себя гравитационное поле, которое притягивает к себе менее крупные объекты. В свою очередь последние также обладают гравитационным полем, как и любые другие материальные объекты во Вселенной.

Следующая популярная теория гравитации была придумана всемирно известным германским ученым Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Эйнштейну удалось более точно описать гравитацию, как явление, а также объяснить ее действие не только в классической механике, но и в квантовом мире. Его общая теория относительности описывает способность такой силы, как гравитация, влиять на пространственно-временной континуум, а также на траекторию движения элементарных частиц в пространстве.

Среди альтернативных теорий гравитации наибольшего внимания, пожалуй, заслуживает релятивистская теория, которая была придумана нашим соотечественником, знаменитым физиком А. А. Логуновым. В отличие от Эйнштейна, Логунов утверждал, что гравитация – это не геометрическое, а реальное, достаточно сильное физическое силовое поле. Среди альтернативных теорий гравитации известны также скалярная, биметрическая, квазилинейная и другие.

1. Людям, побывавшим в космосе и возвратившимся на Землю, достаточно трудно на первых порах привыкнуть к силе гравитационного воздействия нашей планеты. Иногда на это уходит несколько недель.
2. Доказано, что человеческое тело в состоянии невесомости может терять до 1% массы костного мозга в месяц.
3. Наименьшей силой притяжения в Солнечной системе среди планет обладает Марс, а наибольшей – Юпитер.
4. Известные бактерии сальмонеллы, которые являются причиной кишечных заболеваний, в состоянии невесомости ведут себя активнее и способны причинить человеческому организму намного больший вред.
5. Среди всех известных астрономических объектов во Вселенной наибольшей силой гравитации обладают черные дыры. Черная дыра размером с мячик для гольфа, может обладать той же гравитационной силой, что и вся наша планета.
6. Сила гравитации на Земле одинакова не во всех уголках нашей планеты. К примеру, в области Гудзонова залива в Канаде она ниже, чем в других регионах земного шара.

Гравитационное поле Земли | это… Что такое Гравитационное поле Земли?

Гравита́ция (всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние) (от лат. gravitas — «тяжесть») — дальнодействующее фундаментальное взаимодействие в природе, которому подвержены все материальные тела. По современным данным, является универсальным взаимодействием в том смысле, что, в отличие от любых других сил, всем без исключения телам независимо от их массы придаёт одинаковое ускорение. Главным образом гравитация играет определяющую роль в космических масштабах. Термин гравитация используется также как название раздела физики, изучающего гравитационное взаимодействие. Наиболее успешной современной физической теорией в классической физике, описывающей гравитацию, является общая теория относительности, квантовая теория гравитационного взаимодействия пока не построена.

Содержание 1 Гравитационное взаимодействие 2 Небесная механика и некоторые её задачи 3 Сильные гравитационные поля 4 Гравитационное излучение 5 Тонкие эффекты гравитации 6 Квантовая теория гравитации 7 Стандартные теории гравитации 7.1 Общая теория относительности 7.2 Теория Эйнштейна-Картана 7.3 Релятивистская теория гравитации 7.4 Теория Бранса — Дикке 8 Источники и примечания 9 Литература 10 См. также 11 Ссылки

Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m₁ и m₂, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть

.

Здесь G — гравитационная постоянная, равная примерно м³/(кг•с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, то есть гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Закон всемирного тяготения — одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося так же и при изучении излучений (см. например, Давление света), и являющимся прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Поле тяжести потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжести влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях и все массы положительны, это тем не менее очень важная сила во Вселенной. Для сравнения: полный электрический заряд этих тел ноль, так как вещество в целом электрически нейтрально.

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. В античные времена Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так — если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

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 тел в пустом пространстве. Эта задача решается аналитически до конца; 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 движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов 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 — нетривиальная структура колец Сатурна.

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

Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности:

• отклонение закона тяготения от ньютоновского;
• запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений; появление гравитационных волн;
• эффекты нелинейности: гравитационные волны имеют свойство взаимодействовать друг с другом, поэтому принцип суперпозиции волн в сильных полях уже не выполняется;
• изменение геометрии пространства-времени;
• возникновение черных дыр;

Гравитационное излучение

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако, имеются косвенные наблюдательные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в двойной системе с пульсаром PSR B1913+16 — пульсаром Халса-Тейлора — хорошо согласуются с моделью, в которой эта энергия уносится гравитационным излучением.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами, этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного l-польного источника пропорциональна (v / c)^{2l + 2}, если мультиполь имеет электрический тип, и (v / c)^{2l + 4} — если мультиполь магнитного типа ^[1], где v — характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c — скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

где Q_ij — тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа  (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ. )) и до настоящего времени (февраль 2007) предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора [2] республики Татарстан.

Тонкие эффекты гравитации

Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.

Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле. В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли, но его полные результаты пока не опубликованы.

Квантовая теория гравитации

Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена непротиворечивая перенормируемая квантовая теория. Впрочем, при низких энергиях, в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами — калибровочными бозонами со спином 2.

Стандартные теории гравитации

Подробней см. статью Теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая^[3] классическая теория гравитации — общая теория относительности, и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой (см. статью Альтернативные теории гравитации). Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

Общая теория относительности

В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии. Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала) иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем или метрикой четырехмерного пространства-времени, а напряженность гравитационного поля — с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой. Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих метрику пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырехмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием ее формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка. Известно, что в ОТО имеются затруднения с объяснением факта неинвариантности энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия. Считается, что существуют определенные проблемы с однозначностью результатов и обоснованием непротиворечивости. Однако экспериментально ОТО считается подтверждающейся до самого последнего времени. Кроме того, многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики, подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое в основном и доступно экспериментальной проверке.

Теория Эйнштейна-Картана

Теория Эйнштейна-Картана (ЭК) была разработана как расширение ОТО, внутренне включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии-импульса также и спина объектов.^[4] В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана-Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса. Один из них аналогичен ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второй класс уравнений задаёт связь тензора кручения и тензора спина материи и излучения. Получаемые поправки к ОТО настолько малы, что пока не видно даже гипотетических путей для их измерения.

Релятивистская теория гравитации

Релятивистская теория гравитации (РТГ) разрабатывается академиком Логуновым А. А. с группой сотрудников. ^[5] В ряде работ они утверждают, что РТГ имеет следующие отличия от ОТО^[6] :

• Гравитация есть не геометрическое поле, а реальное физическое силовое поле, описываемое тензором.

• Гравитационные явления следует рассматривать в рамках плоского пространства Минковского, в котором однозначно выполняются законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения. Тогда движение тел в пространстве Минковского эквивалентно движению этих тел в эффективном римановом пространстве.

• В тензорных уравнениях для определения метрики следует учитывать массу гравитона, а также использовать калибровочные условия, связанные с метрикой пространства Минковского. Это не позволяет уничтожить гравитационное поле даже локально выбором какой-то подходящей системы отсчёта.

Как и в ОТО, в РТГ под веществом понимаются все формы материи (включая и электромагнитное поле), за исключением самого гравитационного поля. Следствия из теории РТГ таковы: чёрных дыр как физических объектов, предсказываемых в ОТО, не существует; Вселенная плоская, однородная, изотропная, неподвижная и евклидовая.

C другой стороны, существуют не менее убедительные аргументы противников РТГ, сводящиеся к следующим положениям:

• РТГ есть биметрическая теория, в случае безмассового гравитона эквивалентная так называемой полевой трактовке ОТО как надстройке над ненаблюдаемым пространством Минковского: «В релятивистской теории гравитации… фигурируют в точности те же лагранжианы…, которые приводят к уравнениям гравитационного поля»^[7], «математическое содержание РТГ сводится к математическому содержанию ОТО (в полевой формулировке)» ^[8]. Этот аргумент в таком изложении, правда, по-видимому не учитывает возможных топологических различий между обычной моделью ОТО и такой моделью, или же, по крайней мере, маскирует их.
• Случай массивного гравитона в РТГ не даёт правильного ньютоновского предела при переходе к массе равной 0, и, следовательно, бессмыслен.
• Дополнительные уравнения РТГ представляют собой всего лишь координатные условия: «Весь набор уравнений РТГ в терминах метрики искривленного пространства-времени можно свести к уравнениям Эйнштейна плюс гармоническое координатное условие, столь успешно использовавшееся Фоком» ^[8].
• Вышеприведённые следствия из РТГ являются лишь следствием неточностей: несуществование чёрных дыр — следствием невозможности покрыть одной координатной картой, эквивалентной пространству-времени Минковского, пространство-время сколлапсировавшего в чёрную дыру объекта; космологических предсказаний — следствием принятых координатных условий в сочетании с совершенно произвольным дополнительным допущением о вложенности световых конусов реального пространства в конусы пространства Минковского. (Как видим, этот аргумент явно противоречит первому, показывая расхождение РТГ и ОТО, которые вполне ощутимы; и, если оставить соображения, очевидно исходящие просто изнутри обычной логики ОТО, или суждения о произвольности постулатов, то решение о верности одного из этих подходов остается за экспериментом, если конечно не будет всё же доказана достаточно неочевидная их полная эквивалентность в области наблюдаемого).

Теория Бранса — Дикке

В скалярно-тензорных теориях, самой известной из которых является теория Бранса — Дикке (или Йордана — Бранса — Дикке), гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется воздействием не только тензора энергии-импульса материи, как в ОТО, но и дополнительного гравитационного скалярного поля. Источником скалярного поля считается свёрнутый тензор энергии-импульса материи. Следовательно, скалярно-тензорные теории, как ОТО и РТГ, относятся к метрическим теориям, дающим объяснение гравитации, используя только геометрию пространства-времени и его метрические свойства. Наличие скалярного поля приводит к двум тензорным уравнениям для метрики. Теория Бранса — Дикке вследствие наличия скалярного поля может рассматриваться также как действующая в пятимерном многообразии, состоящем из пространства-времени и скалярного поля.^[9]

Подобное имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского^[10]. Благодаря наличию безразмерного подгоночного параметра в теории Йордана — Бранса — Дикке, появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов.

Теории гравитации

Классическая теория тяготения Ньютона Общая теория относительности Квантовая гравитация Альтернативные Классическая механика Гравитационная постоянная Математическая формулировка общей теории относительности Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции Гравитомагнетизм Гравитация с массивным гравитоном Телепараллелизм Геометродинамика (англ. ) Теория Нордстрёма Петлевая квантовая гравитация Теория струн М-теория Теория Калуцы — Клейна Супергравитация Теория Бранса — Дикке Исключительно простая теория всего Полуклассическая гравитация (англ.) Теория гравитации Лесажа Биметрические теории Несимметричные теории гравитации Скаляр-тензор-векторная гравитация (англ.) Теория гравитации Уайтхеда (англ.) Модифицированная ньютоновская динамика (англ.) Составная гравитация (англ.)

Источники и примечания

1. ↑ См. аналогии между слабым гравитационным полем и электромагнитным полем в статье гравитомагнетизм
2. ↑ http://dulkyn.org.ru/ru/about.html
3. ↑ Канонической эта теория является в том смысле, что она наиболее хорошо разработана и широко используется в современной небесной механике, астрофизике и космологии, причём количество надёжно установленных противоречащих ей экспериментальных результатов практически равно нулю.
4. ↑ Иваненко Д. Д., Пронин П. И., Сарданашвили Г. А., Калибровочная теория гравитации. — М., Изд. МГУ, 1985.
5. ↑ Логунов А. А., Мествиришвили М. А. Релятивистская теория гравитации. — М: Наука, 1989.
6. ↑ Логунов А. А., Мествиришвили М. А. Тензор энергии-импульса материи как источник гравитационного поля. — Теоретическая и математическая физика, 1997, Т. 110, Вып. 1, Стр. 5 — 24.
7. ↑ Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. ТЯГОТЕНИЕ, ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕОРИИ. УФН, 1986, Т. 149, № 4, с. 695—707. С. 704.
8. ↑ ^{1 2} Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Общая теория относительности верна! УФН, 1988, Т. 155, № 3, с. 517—527. С. 521, 524.
9. ↑ Brans, C. H.; Dicke, R. H. (November 1 1961). «Mach’s Principle and a Relativistic Theory of Gravitation». Physical Review 124 (3): 925—935. DOI:10.1103/PhysRev.124.925. Retrieved on 2006-09-23.
10. ↑ С ортодоксальной точки зрения это уравение представляет собой координатное условие, см. выше.

Литература

• Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900—1915). М.: Наука, 1981. — 352c.
• Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. М.: Наука, 1985. — 304c.
• Иваненко Д. Д., Сарданашвили Г. А. Гравитация, 3-е изд. М.:УРСС, 2008. – 200с.

См. также

• Общая теория относительности
• Гравитационная волна
• Чёрная дыра
• Альтернативные теории гравитации
• Калибровочная теория гравитации
• Гравиметр
• Гравитационный коллапс

Ссылки

• Фильм «Мнения и со-мнения» о природе гравитации (43 Мб)
• Закон всемирного тяготения или «Почему Луна не падает на Землю?» — Просто о сложном
• Российское гравитационное общество
• Физическая энциклопедия – “Тяготение”

Разделы физики
Экспериментальная физика | Теоретическая физика
Механика | Специальная теория относительности | Общая теория относительности | Космология | Молекулярная физика | Термодинамика | Статистическая физика | Физическая кинетика | Электродинамика | Оптика | Акустика | Физика плазмы | Физика конденсированного состояния | Атомная физика | Квантовая физика | Квантовая механика | Квантовая теория поля | Ядерная физика | Физика элементарных частиц | Теория колебаний | Нелинейная динамика | Метрология | Астрофизика | Геофизика | Биофизика | Радиофизика | Материаловедение | Физика атмосферы | Химическая физика | Физическая химия | Математическая физика

Насколько сильна сила гравитации на Земле?

Гравитация — довольно мощная фундаментальная сила. Если бы не комфортные для Земли 1 г , из-за которых объекты падают на Землю со скоростью 9,8 м/с², мы бы все уплыли в космос. А без него все мы, наземные виды, медленно увядали бы и умирали, поскольку наши мышцы вырождались, наши кости становились ломкими и слабыми, а наши органы переставали функционировать должным образом.

Так что можно без преувеличения сказать, что гравитация не только факт жизни здесь, на Земле, но и предпосылка для нее. Однако, поскольку люди, кажется, полны решимости слезть с этой скалы — так сказать, убежать от «угрюмых оков Земли», — понимание земного притяжения и того, что нужно для побега, необходимо. Так насколько сильна гравитация Земли?

Определение:

. Гравитация — это природное явление, при котором все объекты, обладающие массой, сближаются друг с другом, т. е. астероиды, планеты, звезды, галактики, сверхскопления и т. д. Чем больше масса объекта, тем больше сила тяжести будет воздействовать на предметы вокруг него. Гравитационная сила объекта также зависит от расстояния, т. е. величина ее воздействия на объект уменьшается с увеличением расстояния.

Представление художника о влиянии земной гравитации на пространство-время. Предоставлено: НАСА

Гравитация также является одной из четырех фундаментальных сил, управляющих всеми взаимодействиями в природе (наряду со слабым ядерным взаимодействием, сильным ядерным взаимодействием и электромагнетизмом). Из этих сил гравитация является самой слабой, она примерно в 10 ³⁸ раз слабее сильного ядерного взаимодействия, в 10 ³⁶ раз слабее электромагнитного взаимодействия и в 10 ²⁹ раз слабее слабого ядерного взаимодействия.

Как следствие, гравитация оказывает незначительное влияние на материю в самом маленьком масштабе (то есть на субатомные частицы). Однако на макроскопическом уровне — на уровне планет, звезд, галактик и т. д. — гравитация является доминирующей силой, влияющей на взаимодействие материи. Он вызывает образование, форму и траекторию астрономических тел и управляет астрономическим поведением. Он также сыграл важную роль в эволюции ранней Вселенной.

Он был ответственен за слипание материи в облака газа, которые подверглись гравитационному коллапсу, образовав первые звезды, которые затем стянулись вместе, образовав первые галактики. А внутри отдельных звездных систем пыль и газ сливались, образуя планеты. Он также управляет орбитами планет вокруг звезд, лун вокруг планет, вращением звезд вокруг центра своей галактики и слиянием галактик.

Универсальная гравитация и теория относительности:

Поскольку энергия и масса эквивалентны, все формы энергии, включая свет, также вызывают гравитацию и находятся под ее влиянием. Это согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, которая остается лучшим средством описания поведения гравитации. Согласно этой теории, гравитация — это не сила, а следствие искривления пространства-времени, вызванного неравномерным распределением массы/энергии.

Художественное представление эффекта перетаскивания кадра, при котором пространство и время перетаскиваются вокруг массивного тела. Кредит: einstein.stanford.edu

Самый яркий пример такого искривления пространства-времени — черная дыра, из которой ничто не может выбраться. Черные дыры обычно являются продуктом сверхмассивной звезды, которая превратилась в сверхновую, оставив после себя остаток белого карлика с такой большой массой, что его скорость убегания превышает скорость света. Увеличение гравитации также приводит к гравитационному замедлению времени, когда время течет медленнее.

Однако для большинства приложений гравитацию лучше всего объясняет закон всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что гравитация существует как притяжение между двумя телами. Силу этого притяжения можно рассчитать математически, где сила притяжения прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Гравитация Земли:

На Земле гравитация придает вес физическим объектам и вызывает океанские приливы. Сила притяжения Земли является результатом массы и плотности планет — 5,97237 × 10 ²⁴ кг (1,31668 × 10 ²⁵ фунтов) и 5,514 г/см ³ соответственно. Это приводит к тому, что Земля имеет гравитационную силу 9,8 м/с² вблизи поверхности (также известную как 1 г ), которая естественным образом уменьшается по мере удаления от поверхности.

Кроме того, сила гравитации на Земле фактически меняется в зависимости от того, где вы на ней стоите. Первая причина в том, что Земля вращается. Это означает, что гравитация Земли на экваторе составляет 9,789 м/с ² , а сила тяжести на полюсах равна 9,832 м/с ² . Другими словами, на полюсах вы весите больше, чем на экваторе, из-за этой центростремительной силы, но лишь немного больше.

Международная космическая станция (МКС), вид с экипажа в отстыкованном состоянии на фоне Земли. Предоставлено: НАСА

Наконец, сила гравитации может меняться в зависимости от того, что находится под Землей под вами. Более высокие концентрации массы, такие как камни или минералы с высокой плотностью, могут изменить силу гравитации, которую вы чувствуете. Но, конечно, это количество слишком незначительно, чтобы быть заметным. Миссии НАСА с невероятной точностью нанесли на карту гравитационное поле Земли, показав изменения его силы в зависимости от местоположения.

Гравитация также уменьшается с высотой, так как вы находитесь дальше от центра Земли. Снижение силы при подъеме на вершину горы довольно минимально (сила тяжести на вершине Эвереста меньше на 0,28%), но если вы достаточно высоко, чтобы добраться до Международной космической станции (МКС), вы испытаете 90% от силы тяжести, которую вы почувствуете на поверхности.

Однако, поскольку станция находится в состоянии свободного падения (а также в космическом вакууме), объекты и космонавты на борту МКС могут летать. По сути, поскольку все на борту станции падает на Землю с одинаковой скоростью, те, кто находится на борту МКС, чувствуют себя невесомыми, хотя их вес по-прежнему составляет около 90% от того, что они имели бы на поверхности Земли.

Гравитация Земли также отвечает за то, что наша планета имеет «убегающую скорость» 11,186 км/с (или 6,951 миль/с). По сути, это означает, что ракета должна достичь этой скорости, прежде чем она сможет надеяться вырваться из-под земного притяжения и достичь космоса. И при большинстве запусков ракет большая часть их тяги направлена ​​только на эту задачу.

Из-за разницы между гравитацией Земли и гравитационной силой других тел, таких как Луна (1,62 м/с²; 0,1654  г ) и Марс (3,711 м/с²; 0,376 г) – ученые не уверены, что последствия будут для астронавтов, отправившихся в длительные миссии на эти тела.

Хотя исследования показали, что длительные полеты в условиях микрогравитации (т. е. на МКС) пагубно сказываются на здоровье космонавтов (включая потерю плотности костей, дегенерацию мышц, повреждение органов и зрения), никаких исследований относительно воздействие среды с низкой гравитацией. Но, учитывая многочисленные предложения вернуться на Луну и предложенное НАСА «Путешествие на Марс», эта информация должна появиться!

Как земные существа, мы, люди, благословлены и прокляты силой земного притяжения. С одной стороны, это делает выход в космос достаточно сложным и дорогим. С другой — обеспечивает наше здоровье, поскольку наш вид — продукт миллиардов лет видовой эволюции, происходившей в 1 г среда.

Если мы когда-нибудь надеемся стать по-настоящему космическими и межпланетными видами, нам лучше понять, как мы будем справляться с микрогравитацией и пониженной гравитацией. В противном случае никто из нас вряд ли надолго уйдет с этого мира!

Мы написали много статей о Земле для Universe Today. Вот откуда берется гравитация?, Кто открыл гравитацию?, Почему Земля круглая?, Почему Солнце не крадет Луну?, Можем ли мы создать искусственную гравитацию? .

Хотите больше ресурсов на Земле? Вот ссылка на страницу NASA, посвященную пилотируемым космическим полетам, а вот и Visible Earth НАСА.

Мы также записали эпизод Astronomy Cast about Earth в рамках нашего путешествия по Солнечной системе — Episode 51: Earth и Episode 318: Escape Velocity.

Источники:

• Википедия – Гравитация
• НАСА: Space Place – что такое гравитация на самом деле?
• НАСА – Гравитационный зонд B: миссия относительности

Нравится:

Нравится Загрузка…

Гравитация плоской Земли — Nexus Wiki

Одной из сил, которые мы перечислили в нашем списке взаимодействий, которые могут изменить скорость объекта, была масса . Кажется, что каждый предмет тянет прямо вниз, и если мы его удержим и отпустим, он упадет на землю. Давайте попробуем понять, что это за сила и как она себя ведет, проведя некоторые наблюдения (феноменология). Хотя у нас большой опыт работы с гравитацией, примирить наш опыт с законами Ньютона немного сложно. Наш мозг имеет тенденцию создавать полезные ярлыки, которые быстро дают нам правильный ответ в определенных ситуациях, но они плохо обобщают и могут не согласовываться друг с другом. Посмотрите, сколько опасных поворотов в тексте ниже!

Если мы уроним несколько предметов, то увидим, что все они падают на землю, но некоторые падают медленнее, чем другие. Скомканный лист бумаги будет падать медленнее, чем свинцовый кирпич. Но мы знаем, что помимо того, что объект тянет вниз — его вес — он что-то касается: воздух. А воздух может оказывать на объект силу сопротивления (вязкость или сопротивление). Чтобы попытаться узнать только о гравитации, а не о смеси гравитации и сопротивления, давайте сосредоточимся на объектах, где кажется, что эффект сопротивления воздуха намного меньше, чем эффект гравитации. И как только у нас будет хорошее представление о том, как работает гравитация, мы вернемся назад и исследуем объекты, падающие с сопротивлением воздуха.

На этой странице мы рассмотрим объекты, на которые сопротивление воздуха, по-видимому, не оказывает большого влияния. Это означает, что мы будем использовать плотные объекты и не будем их ронять очень далеко — не более чем на пару метров. Представьте себе ряд сфер диаметром около 2 дюймов и массой от 1/4 кг до пары кг. И мы сбросим их максимум на несколько метров. Это означает, что мы можем игнорировать падение гравитации на 1/ r ² , поскольку r — это наше расстояние до центра Земли — примерно 2/π x 10 ⁷ метров — и мы не изменим это расстояние на значительную величину.

Поскольку сопротивление воздуха зависит от скорости, это также означает, что мы не будем смотреть на объекты, движущиеся очень быстро. Мы также ограничим наши наблюдения лабораторной комнатой, не сильно меняя свое положение или рост. Поскольку оказывается, что это игнорирует влияние нашего положения относительно центра Земли и нашего расстояния от него, мы назовем это приближение гравитацией плоской Земли .

[Это хороший пример “выбора канала на кошачьем телевидении”. Ограничив рассмотрение объектами, для которых сопротивление воздуха не имеет значения, мы можем получить хорошее представление о гравитационной силе. Затем мы можем расширить наш канал и добавить сопротивление воздуха. Наконец, мы можем исследовать, что происходит, когда мы удаляемся от Земли, и узнаем об универсальном законе всемирного тяготения Ньютона. Если бы мы беспокоились обо всем этом сразу, это было бы слишком запутанно.]

Как вес зависит от положения и времени?

Наши повседневные наблюдения показывают, что все объекты, на которые мы смотрим, имеют вес. Мы можем чувствовать, как они тянут наши руки вниз, когда мы держим их. Так как объект оказывает нормальную силу вниз на нашу руку, наша рука должна воздействовать на объект нормальной силой вверх в соответствии с законом Ньютона 3 ^rd . Поскольку объект не ускоряется, силы, действующие на него, должны быть уравновешены. Это означает, что вес объекта равен направленной вверх нормальной силе нашей руки (по закону Ньютона 2 ^nd закон). Таким образом, все три силы должны быть равны по величине. Это говорит нам о том, что сила, которую мы ощущаем при воздействии объекта на нас, равна весу объекта.

Осторожно! Мы часто используем сокращение, говорящее, что мы чувствуем вес объекта рукой. Но поскольку значительный вес оказывает только земля, то, что мы на самом деле чувствуем, — это нормальная сила, которую оказывает объект, равная его весу. Это важно, потому что цепочка рассуждений сохраняется только в этой статической ситуации.

Таким образом, мы можем измерить эту силу, используя пружину (весы) вместо руки, или мы можем уронить ее и измерить ее ускорение. Что мы найдем, если останемся в нашем номере:

Гравитационная сила, действующая на объект, всегда направлена ​​прямо вниз и не зависит от того, где в комнате мы его поместим или когда. (Лучше: в приближении гравитации плоской Земли гравитационная сила, действующая на объект, направлена ​​прямо вниз и не зависит от положения объекта или при его измерении.)

Как вес зависит от объекта?

Теперь самое интересное определить, как вес зависит от свойств объекта. Один из способов проверить это — бросить разные объекты и посмотреть, как они ускоряются по-разному. Осторожный! Мы все еще находимся в канале кошачьего телевидения о плоской земле и незначительном сопротивлении воздуха, поэтому нам приходится ограничивать наши эксперименты этими ситуациями.

Если мы проведем эксперимент по падению тяжелого и легкого мячей, то получим, что они ударятся о землю одновременно. Если мы посмотрим видеозапись, то увидим, что они ускоряются вместе. Это кажется немного странным. Что это означает? Давайте проанализируем это в наших теоретических рамках законов Ньютона. 9{net}_A /m_A = W_{E \rightarrow A} / m_A$$

Ускорение объекта равно чистой силе, деленной на массу объекта. В этом случае единственной силой является вес, поэтому мы получаем, что вес, деленный на массу, представляет собой ускорение, которое, как теперь видно из экспериментального наблюдения, не зависит от объекта.

Итак, давайте напишем $W_{E \rightarrow A} / m_A$ = константа, независимая от объекта. Мы назовем его $g$. Это дает:

$$W_{E \rightarrow A} = m_A g$$

Вес объекта пропорционален его массе. Постоянная g называется гравитационным полем и явно измеряется в ньютонах/кг. Измерения дают

$g = 9,81$ Н/кг

Мне нравится писать $g$ таким образом, поскольку это напоминает нам, что речь идет о силе. Вес – это сила. И это также напоминает нам, что мы должны умножить g на массу, чтобы получить силу. Сразу из результата $a = W/m = g$ можно заметить тревожный факт, а именно, что $g$ также имеет единицы измерения ускорения — метры в секунду ² . Если вы воспользуетесь тем фактом, что Ньютон = 1 кг-м/с ² , вы увидите следующее. Но концептуально $g$ всегда связано с силой. Оно превращается в ускорение только в очень частном случае свободного падения — когда на объект не действуют никакие другие силы. Это может быть очень запутанным! Например, объект, неподвижно сидящий на столе, имеет вес — и, следовательно, ненулевое значение $g$ — но его ускорение = 0. ГОРАЗДО лучше использовать единицы Н/кг для g, а не традиционные “м/с ² “.

Остерегаясь одношагового мышления

Вот отличное видео на YouTube на эту тему, снятое в Университете Сиднея в Австралии. Большинство людей спрашивали, что упадет первым, тяжелое или легкий мяч, ошиблись, предположив, что это будет тяжелый мяч. Как вы думаете, они страдают одношаговым мышлением? Посмотрите видео, прежде чем читать мой анализ ниже.

Это один из самых «опасных поворотов» в Ньютоновская физика, и я подозреваю, что она исходит из размышления на один шаг: чем больше сила, тем больше ускорение. Это верно, если вы думаете об одном объекте. Приложите к объекту больше результирующей силы, и вы получите большее ускорение. Но это НЕ то, к чему мы стремимся. действия, когда мы сравниваем два объекта. 

Второй закон Ньютона напоминает нам о фундаментальной концептуальной идее о том, что результирующая сила, действующая на объект, равна , распределенной по всем частям этого объекта. Это идея массы . Подумайте о том, чтобы пинать пушечное ядро ​​и футбольный мяч. Что будет быстрее, если вы приложите одинаковую силу ударом ногой? Всем известно, что футбольный мяч разгоняется больше и летит быстрее! Но каким-то образом, когда он поворачивается и падает, люди (как на видео) предполагают, что более тяжелый объект с такой же силой будет ускоряться так же быстро. Второй закон Ньютона позволяет нам сохранить две наши интуиции — о влиянии большей силы на ускорение и влиянии большей массы на ускорение — и примирить их.

Джо Редиш 02.10.11

Гравитационное поле Земли | Carolina.com

Гравитационное поле Земли | Каролина.com

• Моя учетная запись

  Войдите или зарегистрируйтесь сейчас, чтобы максимально сэкономить и получить доступ к информации профиля, истории заказов, отслеживанию, спискам покупок и многому другому.

  Авторизоваться Завести аккаунт

• Обслуживание и поддержка

  Свяжитесь с нами

  Наша служба поддержки клиентов работает с 8:00 до 18:30 по восточноевропейскому времени с понедельника по пятницу. Онлайн-чат доступен с 8:00 до 17:30 по восточному времени с понедельника по пятницу.

  Телефон:

  800.334.5551

  Факс:

  800.222.7112

  Электронная почта:

  Электронная почта Обслуживание клиентов

  Подробнее Обслуживание и поддержка

  ---

  Международные продажи и обслуживание

  Мы обслуживаем преподавателей более чем в 170 странах мира. Создать предложение запросите на нашем веб-сайте или свяжитесь с нашим международным отделом продаж.

  Международная информация для заказа

• Покупки
  Списки

  Войдите или зарегистрируйтесь сейчас, чтобы максимально сэкономить и получить доступ к информации профиля, истории заказов, отслеживанию, спискам покупок и многому другому.

  Авторизоваться Завести аккаунт

• Быстрый заказ
  

Упражнение Carolina Essentials™

Обзор

Рассмотрение гравитационного поля Земли представляет собой междисциплинарное применение закона Ньютона. концепция универсальной гравитации и напряженности гравитационного поля. Эта деятельность иллюстрирует применение напряженности гравитационного поля к изменениям топографии на поверхности Земли.

Если бы Ньютон мог пересечь всю поверхность Земли, измеряя ускорение, вызванное к гравитации, он обнаружил бы те же закономерности, что и на спутниковых снимках GRACE. Сегодня спутники GRACE 1 и GRACE 2, путешествуя в тандеме и очень близко друг к другу, необходимые измерения и завершить анализ напряженности гравитационного поля.

Это задание помогает понять взаимосвязь между массой и гравитацией с помощью простого визуального представления. исследование, которое Ньютон установил сотни лет назад. Учащиеся должны быть знакомы с силой тяжести, F _g , и ускорение свободного падения, g, математические соотношения установлены как в, так и в интерпретации значений.

Ньютон показал, что сила тяжести F 90 260 г 90 261 между двумя объектами притягивает прямо пропорциональна произведению их масс m ₁ и m ₂ и обратно пропорциональна расстоянию d между ними в квадрате.

Массы объектов и расстояние между ними являются ключевыми факторами для понимание силы гравитации. Формула Ньютона применима к очень большие тела, такие как система Земля и Луна или даже система Земля и Солнце из-за существенные массы объектов и расстояния между ними.

Для менее массивных тел на поверхности Земли или вблизи нее мы часто используем местных гравитационных поле Земли , или г , сила притяжения, которую испытывает тело, помещенное в гравитационное поле Земли. Напряженность гравитационного поля в данной точке рассчитывается как гравитационная сила на единицу масса или:

g=F/m      g=9,80665 N/kg      F=в ньютонах      m=масса в кг

называют средним ускорением свободного падения. На уровне моря стандартное ускорение гравитация 9.80665 м/с ² . Широта, высота над уровнем моря и местная геология могут влиять на значение g. Местный вариации значений g называются аномалиями . Они измеряются в единицах миллигалилео, мгал, что имеет значение ускорения около 1 × 10 ^-6 g или 1 × 10 ^-5 м/с ² . Предоставленные карты имеют цветовую кодировку для обозначения областей с более высокими (красный) или более низкими (синий) значениями g, чем ожидаемые. С помощью снимков со спутников GRACE и карты рельефа с затенением учащиеся могут установить и подтверждают закономерности среди гравитационного ускорения Земли, топографии и геологии. По рассматривая гравитационные аномалии в сравнении с особенностями рельефа, студенты быстро выявляют и подтверждают связь, установленную Ньютоном между массой и напряженностью гравитационного поля.

Сохранить и распечатать

Заметки учителя

Сохранить и распечатать

Рабочий лист

Оценка и дисциплина

Физические науки,
Науки о Земле и космосе
Рекомендуется для 9–12 классов.

Требования по времени

Подготовка 15 мин

Упражнение 30 мин

Время подготовки учителя: 15 мин
Упражнение ученика: 30 мин

Эталонные комплекты

Материалы (на группу)

Полезные ссылки

Ресурсы

Обзор

Рассмотрение гравитационного поля Земли является междисциплинарным применением закона Ньютона концепция универсальной гравитации и напряженности гравитационного поля. Эта деятельность иллюстрирует применение напряженности гравитационного поля к изменениям топографии на поверхности Земли.

Если бы Ньютон мог пересечь всю поверхность Земли, измеряя ускорение, вызванное к гравитации, он обнаружил бы те же закономерности, что и на спутниковых снимках GRACE. Сегодня спутники GRACE 1 и GRACE 2, путешествуя в тандеме и очень близко друг к другу, необходимые измерения и завершить анализ напряженности гравитационного поля.

Это задание поможет понять взаимосвязь между массой и гравитацией с помощью простого визуального представления. исследование, которое Ньютон установил сотни лет назад. Учащиеся должны быть знакомы с силой тяжести, F _g , и ускорением свободного падения, g, математические соотношения установлены как в, так и в интерпретации значений.

Ньютон показал, что сила тяжести F 90 260 г 90 261 между двумя объектами притягивает прямо пропорциональны произведению их масс, m ₁ и m ₂ , и обратно пропорциональна расстоянию d между ними в квадрате.

Массы объектов и расстояние между ними являются ключевыми факторами для понимание силы гравитации. Формула Ньютона применима к очень большие тела, такие как система Земля и Луна или даже система Земля и Солнце из-за существенные массы объектов и расстояния между ними.

Для менее массивных тел на поверхности Земли или вблизи нее мы часто используем местных гравитационных поле Земли , или г , сила притяжения, которую испытывает тело, помещенное в гравитационное поле Земли. Напряженность гравитационного поля в данной точке рассчитывается как гравитационная сила на единицу масса или:

g=F/m      g=9,80665 N/kg      F=в ньютонах      m=масса в кг

называют средним ускорением свободного падения. На уровне моря стандартное ускорение гравитация 9.80665 м/с ² . Широта, высота над уровнем моря и местная геология могут влиять на значение g. Местный вариации значений g называются аномалиями . Они измеряются в единицах миллигалилео, мгал, что имеет значение ускорения около 1 × 10 ^-6 g или 1 × 10 ^-5 м/с ² . Предоставленные карты имеют цветовую кодировку для обозначения областей с более высокими (красный) или более низкими (синий) значениями g, чем ожидаемые. С помощью снимков со спутников GRACE и карты рельефа с затенением учащиеся могут установить и подтверждают закономерности среди гравитационного ускорения Земли, топографии и геологии. По рассматривая гравитационные аномалии в сравнении с особенностями рельефа, студенты быстро выявляют и подтверждают связь, установленную Ньютоном между массой и напряженностью гравитационного поля.

Сохранить и распечатать

Заметки учителя

Сохранить и распечатать

Рабочий лист

Феномен

Что вы можете сказать о распределении массы на Земле, глядя на карту рельефа?

Основной вопрос

Как можно объяснить и предсказать колебания гравитационной силы Земли?

Цели занятия

1. Используя спутниковые данные GRACE, объяснить изменения (аномалии) и закономерности в гравитационном поле Земли.
2. Объясните, как аномалии гравитационного поля можно устранить с помощью закона всемирного тяготения Ньютона.

Научные стандарты следующего поколения* (NGSS)

HS-PS2-4. Используйте математические представления закона тяготения Ньютона и закона Кулона для описания и предсказания гравитационных и электростатических сил между объектами.

Научная и инженерная практика

Использование математики и вычислительного мышления

• Используйте математические представления явлений для описания объяснений.

Основные дисциплинарные идеи

PS2.B: Типы взаимодействий

• Универсальный закон Ньютона гравитация и кулонов закон обеспечивает математическое модели для описания и предсказания воздействие гравитации и электростатические силы между удаленные объекты.

Концепции поперечного сечения

Шаблоны

• Могут быть разные шаблоны наблюдается на каждом из масштабы, на которых система изучается и может дать доказательство причинно-следственной связи в объяснения явлений.

Процедуры и меры безопасности

Для работы не требуются средства индивидуальной защиты.

Подготовка учителя и утилизация

Подготовьте руководство для учащихся, распечатав или загрузив его на сайт класса. Распечатайте или загрузите карту рельефа для использования учащимися. Вы можете распечатать и заламинировать карты магнитного поля, чтобы использовать их на других занятиях или занятиях.

Ученик

Учитель

1. Ученик: Внимательно изучите 3 карты гравитационного поля различных регионов мира. Обратите внимание, что ключом для гравитационных аномалий является разница в значениях (миллигал или мгал, используемая как единица измерения ускорения в науке гравиметрии) выше или ниже ожидаемого значения для безликой однородной поверхности на Земле.

1. Учитель: Обсудите с учащимися, что означает карта, показывающая аномалии.

2. Запишите любые изменения или закономерности, которые вы заметите.

2. Просмотрите ключ карты гравитационного поля, чтобы учащиеся поняли, как ее интерпретировать.

3. Сравните карты гравитационного поля с картой рельефа мира.

4. Запишите любые изменения или закономерности, которые вы заметите.

Данные и наблюдения

1. Наблюдения за картой гравитационного поля

Ответы учащихся могут различаться, но они должны видеть очевидные различия между силой гравитационного поля океана и земли. Сила гравитационного поля в Атлантике и Тихом океане, как правило, ниже средней, а на континентах — выше средней. Исключениями являются Центральная Азия и бассейн Амазонки, где напряженность гравитационного поля также ниже средней.

2. Сравнение карты гравитационного поля и карты рельефа

Ответы учащихся могут отличаться. Положительные аномалии связаны с горными массивами. Обратите внимание на Скалистые горы, Анды, Альпы и Гималаи. Большие речные бассейны, такие как Миссисипи, Амазонка и Нил, кажутся немного ниже среднего, что имеет смысл, потому что реки и большие, протяженные поймы не имеют накопления массы. Арктика и Антарктика имеют положительные аномалии.

Анализ и обсуждение

Как можно использовать закон всемирного тяготения Ньютона для объяснения аномалий на карте глобального гравитационного поля? Используйте таблицу плотностей, чтобы подтвердить свои утверждения.

Закон всемирного тяготения Ньютона имеет массу 2 объектов в числителе. На основе карт глобального гравитационного поля и топографических или рельефных карт становится очевидным, что масса неравномерно распределена по земному шару. Вода менее плотна, чем скалы, из которых состоят континенты, а это означает, что при одинаковом объеме вода имеет меньшую массу, чем скала.

По мере того, как горная порода накапливается или разрушается, происходит перераспределение массы. По мере перераспределения массы гравитационное поле меняется. Например, по мере увеличения массы, как и вдоль горной цепи, напряженность магнитного поля должна увеличиваться. Это подтверждается красным цветом на карте гравитационного поля, указывающим на положительную аномалию.