Гравитация
Гравитация, или тяготение, - это притяжение одной материи к другой материи. Она является одновременно самой знакомой из природных сил и наименее понятной. Это сила, которая заставляет предметы падать и воду бежать вниз по склону. Это сила, которая удерживает Землю, Солнце и звезды вместе и удерживает планеты, спутники планет и искусственные спутники на их соответствующих орбитах.
Гравитация - это сила, которую объекты оказывают друг на друга из-за их соответствующих масс. Объект, упавший вблизи поверхности Земли, падает на землю, потому что его тянет вниз сила тяжести, которую Земля оказывает на объект. Такое же гравитационное притяжение существует между Землей и Луной, между Луной и Солнцем, а также между Солнцем и каждым объектом во вселенной. Даже частицы пыли и газа в космосе притягиваются друг к другу; фактически, именно это притяжение помогло сформировать Солнечную систему.
Из четырех известных сил, управляющих поведением физических объектов, гравитация - самая слабая. Несмотря на свою слабость, гравитация важна, потому что, в отличие от других трех сил, она действует между любыми двумя объектами во вселенной. Она также действует на бесконечном расстоянии.
Электромагнитные силы являются одновременно притягивающими и отталкивающими и обычно нейтрализуются на больших расстояниях. Сильные и слабые взаимодействия действуют только на чрезвычайно малых расстояниях внутри ядер атомов. Таким образом, на расстояниях, простирающихся от измеряемых на Земле до самых дальних частей вселенной, гравитационное притяжение является значительной силой и во многих случаях доминирующей.
И Исаак Ньютон в 17 веке, и Альберт Эйнштейн в 20 веке инициировали изучение и наблюдение Вселенной с помощью новых теорий гравитации. Этот предмет сегодня находится на переднем крае теоретической физики и астрономии.
Ускорение свободного падения
Первые научные исследования гравитации были проведены итальянским астрономом Галилеем в конце 16-го века. Он провел несколько исследований и разработал математические модели влияния гравитации на падающие объекты. Галилей установил, что гравитация оказывает постоянное ускорение на все объекты независимо от их массы. То есть, независимо от того, насколько велик или мал объект, он будет падать с одинаковой скоростью ускорения. На Земле это ускорение составляет 9,806 метра в секунду. Таким образом, в конце одной секунды падающий объект движется со скоростью 9,806 метра в секунду; в конце двух секунд он движется со скоростью 19,6 метра в секунду, и так далее.
Выводы Галилея опровергли более ранние рассуждения древнегреческого философа Аристотеля. Столетиями ранее Аристотель предположил, что тяжелые предметы падают быстрее, чем легкие. Галилей показал, что все объекты ускоряются гравитацией одинаково. Например, 3-килограммовый мяч и 1-килограммовый мяч, сброшенные с одной и той же высоты, будут падать с одинаковой скоростью.
Гравитация оказывает большую силу на большой шар, потому что он имеет большую массу. Однако большая масса более тяжелого шара означает, что он также обладает большей инерцией. Инерция - это свойство материи, которое заставляет ее противостоять или сопротивляться любой силе, которая пытается её сдвинуть. Поэтому, хотя гравитация оказывает большее давление на более тяжелый шар, шар не падает быстрее, потому что инерция замедляет его.
Принцип Галилея справедлив только тогда, когда падающие объекты находятся в вакууме, то есть в замкнутой системе, где нет воздуха. В открытой системе с воздухом сила сопротивления воздуха будет давить на падающие предметы и замедлять их падение.
Например, в вакууме перо и камень падают с одинаковой скоростью. Однако в открытой системе перо падает медленнее, чем камень. Хотя их ускорение от силы тяжести одинаково, сопротивление воздуха оказывает большую силу на перо, замедляя его спуск. Это происходит потому, что перо имеет большую площадь поверхности, чем камень.
Сила сопротивления воздуха изменяется в зависимости от площади поверхности объекта, так что объект, который распространяет свой вес на большую площадь, испытывает большее сопротивление и, следовательно, падает медленнее. Именно этот принцип используется в парашюте.
Примерно в то же время, когда Галилей проводил свои исследования падающих объектов, немецкий астроном Иоганн Кеплер изучал движение планет и других небесных объектов. В начале 17 века Кеплер предложил три закона, описывающие положение и движение планет по мере их обращения вокруг Солнца. Эти законы стали известны как Кеплеровские законы движения планет, и позднее они повлияли на наше фундаментальное понимание гравитации.
Закон всемирного тяготения Ньютона
В конце 17-го века английский ученый Исаак Ньютон предположил, что гравитация, которая заставляет объекты падать на Землю, и сила, которая удерживает планеты на их орбитах, одинаковы. В своей книге Ньютон показал, что как законы Кеплера, так и наблюдения Галилея за гравитацией Земли могут быть объяснены одним простым законом всемирного тяготения. Он утверждает, что каждое небесное тело во Вселенной притягивает каждое другое небесное тело. Это притяжение вызвано силой (гравитацией), которая зависит от массы каждого тела и от расстояния между телами.
Сила гравитации
Закон Ньютона применим не только к небесным телам, но и к любым двум объектам, имеющим массу. Закон можно резюмировать следующим образом:
1. Сила притяжения между двумя объектами возрастает с увеличением их соответствующих масс. Чем больше масса, тем больше сила притяжения.
2. Гравитационная сила между двумя объектами уменьшается по мере увеличения расстояния между ними. То есть, чем дальше друг от друга находятся два объекта, тем меньше их взаимное гравитационное притяжение; и наоборот, чем ближе два объекта, тем сильнее притяжение между ними.
Также Ньютон математически определил понятие, что любая сила равна массе
объекта, на который эта сила действует, умноженной на ускорение, возникающее в
результате действия этой силы. Это выражается следующей формулой, в которой F
обозначает силу, m обозначает массу, а a обозначает ускорение:
F = ma
Это показывает, что сила тяжести возрастает пропорционально массе ускоряемого объекта, но это ускорение остается постоянным. То есть любые два объекта, независимо от их массы, ускоряются одинаково при падении с одной и той же высоты. Это подтвердило наблюдение Галилея о том, что все объекты на Земле, независимо от массы, ускоряются гравитацией Земли в одинаковой степени.
Гравитация во Вселенной
Хотя законы Кеплера точно описывали положение и движение планет, они не объясняли, что заставило планеты следовать этим путям. Если бы на планеты не действовала какая-то сила, они продолжали бы двигаться по прямой мимо Солнца и дальше к звездам. Ньютон определил, что та же самая сила - гравитация, которая притягивает упавший объект к Земле, также удерживает небесное тело на его орбите.
Гравитация Земли и Луны
Например, Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите. Поступательное движение Луны является результатом ее скорости - то есть ее направления и скорости. Когда скорость толкает Луну вперед, гравитационная сила Земли притягивает Луну к центру Земли. Из - за этой гравитационной силы Луна остается на своей орбите и не продолжает двигаться по прямой линии в космос.
Однако если гравитация притягивает Луну к Земле, почему Луна не врезается в Землю? Ньютон показал, что если скорость Луны достаточно высока, то она всегда будет ускоряться к Земле, не покидая своей орбиты. Это происходит потому, что движение объекта является результатом как его скорости, так и приложенного к нему ускорения. Подобно тому, как камень, вращающийся на конце веревки, постоянно притягивается к руке, держащей веревку, пока он вращается достаточно быстро, так и объекты в гравитационном поле остаются на своих орбитах, если они движутся достаточно быстро.
Законы гравитации также в значительной степени влияют на проектирование и исполнение космических аппаратов, используемых в космических исследованиях. Чем быстрее объект изначально приводится в движение в воздухе, тем дальше он будет двигаться, прежде чем удариться о землю.
Если ракета изначально разогнана более чем до 29 000 километров в час, то её поступательный импульс удержит её от столкновения с Землей. По сути, она будет падать вокруг Земли - перспектива, впервые предложенная Ньютоном. Если ракете придать еще более высокую начальную скорость полета - более 40 000 километров в час, - она полностью уйдет от земного притяжения, как это сделали зонды на Марс, Юпитер и другие планеты. При достаточной скорости зонд в конце концов тоже ускользнет от гравитации Солнца.
Эффекты веса при Гравитации
Однако астронавты, находящиеся на орбите вокруг Земли, вовсе не находятся вне земной гравитации, хотя и испытывают ощущение невесомости. Вес тела определяется гравитационными силами, оказываемыми на него. Поскольку сила притяжения уменьшается пропорционально расстоянию от центра Земли, у астронавтов, находящихся высоко над поверхностью Земли, она лишь немного меньше, чем на уровне моря.
Эффекты веса не являются непосредственно эффектами гравитации, которая сама по себе не может быть ощутима. Скорее, вес ощущается, когда силе тяжести каким-то образом противостоят. Химические и электрические силы стула и пола, например, сопротивляются силе тяжести, действующей на сидящих и стоящих людей. Эти электрические и химические силы, такие как сила, которую стул прикладывает к человеку, чтобы удержать его от падения, могут непосредственно ощущаться телом. Такие силы отсутствуют на орбите. Поскольку не только астронавты, но и их космические аппараты и все объекты внутри них свободно падают вокруг Земли, а не поддерживаются какими-то другими силами, нет ощущения веса.
Гравитация и формирование небесных тел
Гравитация не только удерживает планеты и спутники на их орбитах, но и удерживает их вместе. Она также играет доминирующую роль в их формировании. Солнце, например, производит тепло и свет, необходимые для жизни на Земле, посредством ядерных реакций глубоко в ее недрах.
Эти же самые реакции разорвали бы Солнце на части, если бы не огромная сила собственного притяжения, удерживающая его вместе. Почти пять миллиардов лет назад Солнце и планеты вышли из рассеянного облака пыли и газа, сжавшись под действием собственного растущего гравитационного поля.
Точно так же огромные галактики и скопления галактик, состоящие из триллионов звезд, связаны гравитацией и были сформированы главным образом гравитационным сжатием, хотя другие силы - такие как пронизывающие магнитные поля в космосе - вероятно, также сыграли свою роль.
Гравитация и теория относительности
Ньютоновское видение мира, управляемого простыми, неизменными законами, оказывало мощное влияние на протяжении более чем 200 лет. Однако его законы не объясняют, почему все объекты притягивают к себе все остальные. К 1916 году Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, которая попыталась объяснить ее действительную природу.
В теории Эйнштейна, называемой общей теорией относительности, гравитация не существует как реальная сила. Вместо этого каждая масса во Вселенной искривляет саму структуру пространства и времени вокруг себя, подобно тому, как это делает мрамор, лежащий на очень тонком куске резины. Это искажение пространства, окружающего каждый объект, в свою очередь искривляет траектории всех объектов, даже тех, которые вообще не обладают массой, например фотонов.
Предсказания, сделанные теорией Эйнштейна, такие как величина, на которую Солнце будет искривлять звездный свет, проходящий вблизи него, были подтверждены наблюдениями - во время солнечного затмения в 1919 году. Хотя были предложены и другие теории гравитации, теория относительности в настоящее время является общепринятой.
Чёрная Дыра
Теория Эйнштейна отвечает за некоторые поразительные предсказания, такие как концепция черной дыры - объекта настолько массивного, что даже свет не может вырваться из-под ее гравитации. Астрономы получили первые убедительные данные наблюдений черной дыры в 1994 году. Как и в случае с теорией Ньютона, концепция Эйнштейна об искривленном пространстве и времени глубоко изменила взгляды ученых на то, как устроена вселенная.
Несмотря на успех теории Эйнштейна, многое остается неизвестным о гравитации. До сих пор остаются без ответа вопросы о её отношении к трем другим силам природы, почему она настолько слабее и почему материя создает искривление пространства вокруг себя. Эти и другие фундаментальные вопросы гравитации продолжают оставаться предметом теоретической работы ученых.