Obi-Wan Kenobi je rekao da snaga drži galaksiju na okupu. Isto se može reći i za gravitaciju. Činjenica je da nam gravitacija omogućuje hodanje po Zemlji, Zemlji da se okreće oko Sunca, a Suncu da se okreće oko supermasivne crne rupe u središtu naše galaksije. Kako razumjeti gravitaciju? O tome - u našem članku.
Recimo odmah da ovdje nećete pronaći nedvosmisleno točan odgovor na pitanje "Što je gravitacija". Jer to jednostavno ne postoji! Gravitacija je jedan od najmisterioznijih fenomena oko kojeg znanstvenici razmišljaju i još uvijek ne mogu u potpunosti objasniti njegovu prirodu.
Postoji mnogo hipoteza i mišljenja. Postoji više od desetak teorija gravitacije, alternativnih i klasičnih. Razmotrit ćemo najzanimljivije, relevantnije i modernije.
Želite više korisna informacija i svaki dan svježe vijesti? Pridružite nam se na telegramu.
Gravitacija je temeljna fizička interakcija
U fizici postoje 4 temeljne interakcije. Zahvaljujući njima, svijet je upravo takav kakav jest. Gravitacija je jedna od tih sila.
Temeljne interakcije:
- gravitacija;
- elektromagnetizam;
- jaka interakcija;
- slaba interakcija.
U ovom trenutku, trenutna teorija koja opisuje gravitaciju je opća relativnost ( opća teorija relativnost). Predložio ga je Albert Einstein 1915.-1916.
No, znamo da je prerano govoriti o konačnoj istini. Uostalom, nekoliko stoljeća prije pojave opće relativnosti u fizici, Newtonova teorija, koja je značajno proširena, dominirala je za opisivanje gravitacije.
Trenutačno je nemoguće objasniti i opisati sva pitanja vezana uz gravitaciju u okviru opće relativnosti.
Prije Newtona, uvriježeno je bilo vjerovanje da su gravitacija na zemlji i nebeska gravitacija različite stvari. Vjerovalo se da se planeti kreću prema vlastitim, drugačijim od zemaljskih, idealnim zakonima.
Newton je otkrio zakon gravitacija godine 1667. Naravno, ovaj zakon je postojao i za vrijeme dinosaura i mnogo ranije.
Drevni filozofi razmišljali su o postojanju gravitacije. Galileo je eksperimentalno izračunao ubrzanje slobodan pad na Zemlji, otkrivši da je isti za tijela bilo koje mase. Kepler je proučavao zakone gibanja nebeska tijela.
Newton je uspio formulirati i generalizirati rezultate opažanja. Evo što je dobio:
Dva se tijela međusobno privlače silom tzv sila gravitacije ili sila gravitacije.
Formula za silu privlačenja između tijela je:
G je gravitacijska konstanta, m je masa tijela, r je udaljenost između centara mase tijela.
Koje je fizičko značenje gravitacijske konstante? Jednaka je sili kojom tijela mase po 1 kilogram djeluju jedno na drugo, a nalaze se na udaljenosti od 1 metra.
Prema Newtonovoj teoriji, svaki objekt stvara gravitacijsko polje. Točnost Newtonovog zakona testirana je na udaljenostima manjim od jednog centimetra. Naravno, za male mase te su sile beznačajne i mogu se zanemariti.
Newtonova formula primjenjiva je i za izračunavanje sile privlačenja planeta prema Suncu i za male objekte. Jednostavno ne primjećujemo snagu kojom se privlače, recimo, kuglice na biljarskom stolu. Ipak, ta sila postoji i može se izračunati.
Sila privlačenja djeluje između svih tijela u svemiru. Njegov učinak se proteže na bilo koju udaljenost.
Newtonov zakon univerzalne gravitacije ne objašnjava prirodu sile privlačenja, već utvrđuje kvantitativne obrasce. Newtonova teorija nije u suprotnosti s općom relativnošću. Sasvim je dostatan za rješavanje praktičnih problema u mjerilu Zemlje i za proračun gibanja nebeskih tijela.
Gravitacija u općoj teoriji relativnosti
Unatoč činjenici da je Newtonova teorija prilično primjenjiva u praksi, ona ima niz nedostataka. Zakon univerzalne gravitacije je matematički opis, ali ne daje ideju o temeljnoj fizičkoj prirodi stvari.
Prema Newtonu, sila privlačenja djeluje na bilo kojoj udaljenosti. I djeluje trenutno. S obzirom na to da je najveća brzina na svijetu brzina svjetlosti, postoji neslaganje. Kako gravitacija može djelovati trenutačno na bilo kojoj udaljenosti, kada svjetlost ne treba trenutak, već nekoliko sekundi ili čak godina da ih nadvlada?
U okviru opće relativnosti gravitacija se ne smatra silom koja djeluje na tijela, već zakrivljenošću prostora i vremena pod utjecajem mase. Dakle, gravitacija nije interakcija sile.
Kakav je učinak gravitacije? Pokušajmo to opisati pomoću analogije.
Zamislite prostor kao elastičnu plahtu. Ako na nju stavite laganu tenisku lopticu, površina će ostati ravna. Ali ako pored lopte stavite teški uteg, on će napraviti rupu u površini, a lopta će se početi kotrljati prema velikom i teškom utegu. Ovo je "gravitacija".
Usput! Za naše čitatelje sada postoji popust od 10% na bilo kakav posao
Otkriće gravitacijskih valova
Gravitacijske valove predvidio je Albert Einstein još 1916. godine, no otkriveni su tek sto godina kasnije, 2015. godine.
Što su gravitacijski valovi? Povucimo opet analogiju. Ako bacite kamen u mirnu vodu, od mjesta njegovog pada krugovi će ići po površini vode. Gravitacijski valovi su isti valovi, poremećaji. Samo ne na vodi, nego u svjetskom prostor-vremenu.
Umjesto vode - prostor-vrijeme, a umjesto kamena, recimo, crna rupa. Svako ubrzano kretanje mase stvara gravitacijski val. Ako su tijela u stanju slobodnog pada, udaljenost između njih će se promijeniti prolaskom gravitacijskog vala.
Budući da je gravitacija vrlo slaba sila, detekcija gravitacijskih valova povezana je s velikim tehničkim poteškoćama. Moderne tehnologije omogućio otkrivanje praska gravitacijskih valova samo iz supermasivnih izvora.
Pogodan događaj za registraciju gravitacijskog vala je spajanje crnih rupa. Nažalost ili na sreću, to se događa vrlo rijetko. Ipak, znanstvenici su uspjeli registrirati val koji se doslovno kotrljao prostorom Svemira.
Za registraciju gravitacijskih valova izgrađen je detektor promjera 4 kilometra. Tijekom prolaska vala zabilježene su oscilacije zrcala na suspenzijama u vakuumu i interferencija svjetlosti koja se od njih reflektira.
Gravitacijski valovi potvrdili su valjanost opće relativnosti.
Gravitacija i elementarne čestice
U standardnom modelu svaka je interakcija odgovorna za određene elementarne čestice. Možemo reći da su čestice nositelji međudjelovanja.
Za gravitaciju je odgovoran graviton - hipotetska čestica bez mase s energijom. Usput, u našem zasebnom materijalu pročitajte više o Higgsovom bozonu i drugim elementarnim česticama koje su napravile mnogo buke.
Za kraj, evo nekoliko zanimljivih činjenica o gravitaciji.
10 činjenica o gravitaciji
- Da bi savladalo silu gravitacije Zemlje, tijelo mora imati brzinu jednaku 7,91 km / s. Ovo je prva kozmička brzina. Dovoljno je da se tijelo (na primjer, svemirska sonda) kreće po orbiti oko planeta.
- Osloboditi se gravitacijskog polja Zemlje, svemirski brod mora imati brzinu od najmanje 11,2 km/s. Ovo je druga svemirska brzina.
- Objekti s najjačom gravitacijom su crne rupe. Njihova gravitacija je toliko jaka da čak privlače svjetlost (fotone).
- Nijedna od jednadžbi kvantna mehanika nećete pronaći silu gravitacije. Činjenica je da kada pokušate uključiti gravitaciju u jednadžbe, one gube na važnosti. Ovo je jedan od najvažnijih problema u modernoj fizici.
- Riječ gravitacija dolazi od latinskog "gravis", što znači "težak".
- Što je objekt masivniji, gravitacija je jača. Ako osoba koja na Zemlji ima 60 kilograma teži na Jupiteru, vaga će pokazati 142 kilograma.
- NASA-ini znanstvenici pokušavaju razviti gravitacijsku zraku koja će omogućiti beskontaktno pomicanje objekata, nadvladavajući silu gravitacije.
- Astronauti u orbiti također doživljavaju gravitaciju. Točnije, mikrogravitacija. Čini se da beskrajno padaju zajedno s brodom u kojem se nalaze.
- Gravitacija uvijek privlači, a nikad ne odbija.
- Crna rupa veličine teniske loptice vuče objekte istom snagom kao naš planet.
Sada znate definiciju gravitacije i možete reći koja se formula koristi za izračunavanje sile privlačenja. Ako vas granit znanosti drži jače od gravitacije, obratite se našem studentskom servisu. Pomoći ćemo vam da lako učite i pod najvećim radnim opterećenjem!
Zašto kamen pušten iz ruku pada na zemlju? Zato što ga privlači Zemlja, reći će svatko od vas. Zapravo, kamen pada na Zemlju ubrzanjem slobodnog pada. Posljedično, sila usmjerena prema Zemlji djeluje na kamen sa strane Zemlje. Prema trećem Newtonovom zakonu, i kamen djeluje na Zemlju istim modulom sile usmjerenim prema kamenu. Drugim riječima, između Zemlje i kamena djeluju sile međusobnog privlačenja.
Newton je prvi pogodio, a potom i strogo dokazao, da je razlog pada kamena na Zemlju, kretanje Mjeseca oko Zemlje i planeta oko Sunca, jedan te isti. Ovo je gravitacijska sila koja djeluje između bilo kojeg tijela u svemiru. Evo tijeka njegova razmišljanja danog u Newtonovom glavnom djelu "Matematički principi prirodne filozofije":
“Kamen bačen vodoravno će pod djelovanjem gravitacije skrenuti s ravne putanje i, nakon što je opisao zakrivljenu putanju, konačno će pasti na Zemlju. Ako ga bacite većom brzinom, onda će pasti dalje” (slika 1).
Nastavljajući ova razmišljanja, Newton dolazi do zaključka da bi, da nije bilo otpora zraka, putanja kamena bačenog s visoke planine određenom brzinom mogla postati takva da on uopće ne bi stigao do površine Zemlje, već bi se pomaknuo oko njega “kao kako planeti opisuju svoje orbite u nebeskom prostoru.
Sada smo se toliko navikli na kretanje satelita oko Zemlje da nema potrebe pobliže objašnjavati Newtonovu misao.
Dakle, prema Newtonu, kretanje Mjeseca oko Zemlje ili planeta oko Sunca također je slobodan pad, ali samo pad koji bez prestanka traje milijardama godina. Razlog ovakvog “pada” (bilo da je riječ o padu običnog kamena na Zemlju ili kretanju planeta u njihovim orbitama) je sila univerzalne gravitacije. O čemu ovisi ta sila?
Ovisnost sile gravitacije o masi tijela
Galileo je dokazao da Zemlja pri slobodnom padu daje jednaku akceleraciju svim tijelima na određenom mjestu, bez obzira na njihovu masu. Ali ubrzanje je, prema drugom Newtonovom zakonu, obrnuto proporcionalno masi. Kako objasniti da je akceleracija koju tijelu daje Zemljina gravitacija ista za sva tijela? To je moguće samo ako je sila privlačenja Zemlje izravno proporcionalna masi tijela. U ovom slučaju, povećanje mase m, na primjer, za faktor dva dovest će do povećanja modula sile F se također udvostruči, a akceleracija, koja je jednaka \(a = \frac (F)(m)\), ostat će nepromijenjena. Generalizirajući ovaj zaključak za sile gravitacije između bilo kojih tijela, zaključujemo da je sila univerzalne gravitacije izravno proporcionalna masi tijela na koje ta sila djeluje.
Ali najmanje dva tijela sudjeluju u međusobnom privlačenju. Svaki od njih, prema trećem Newtonovom zakonu, podložan je istom modulu gravitacijskih sila. Stoga svaka od tih sila mora biti proporcionalna i masi jednog tijela i masi drugog tijela. Stoga je sila univerzalne gravitacije između dva tijela izravno proporcionalna umnošku njihovih masa:
\(F \sim m_1 \cdot m_2\)
Ovisnost sile teže o udaljenosti između tijela
Iz iskustva je poznato da je akceleracija slobodnog pada 9,8 m/s 2 i ista je za tijela koja padaju s visine od 1, 10 i 100 m, odnosno ne ovisi o udaljenosti između tijela i zemlja. Čini se da to znači da sila ne ovisi o udaljenosti. Ali Newton je vjerovao da udaljenosti ne treba mjeriti od površine, već od središta Zemlje. Ali radijus Zemlje je 6400 km. Jasno je da nekoliko desetaka, stotina pa čak i tisuća metara iznad površine Zemlje ne može primjetno promijeniti vrijednost ubrzanja slobodnog pada.
Da bismo saznali kako udaljenost između tijela utječe na snagu njihovog međusobnog privlačenja, bilo bi potrebno saznati kolika je akceleracija tijela udaljenih od Zemlje na dovoljno velikim udaljenostima. Međutim, teško je promatrati i proučavati slobodni pad tijela s visine od tisuća kilometara iznad Zemlje. No, ovdje je sama priroda priskočila u pomoć i omogućila određivanje ubrzanja tijela koje se kreće u krugu oko Zemlje i stoga posjeduje centripetalno ubrzanje, uzrokovano, naravno, istom silom privlačenja prema Zemlji. Takvo tijelo je prirodni satelit Zemlje – Mjesec. Kad privlačna sila između Zemlje i Mjeseca ne bi ovisila o udaljenosti između njih, tada bi centripetalna akceleracija Mjeseca bila ista kao akceleracija tijela koje slobodno pada blizu površine Zemlje. U stvarnosti, centripetalna akceleracija Mjeseca je 0,0027 m/s 2 .
Dokažimo to. Revolucija Mjeseca oko Zemlje događa se pod utjecajem gravitacijske sile između njih. Približno, orbita Mjeseca može se smatrati krugom. Stoga Zemlja prenosi centripetalno ubrzanje Mjesecu. Izračunava se formulom \(a = \frac (4 \pi^2 \cdot R)(T^2)\), gdje R- radijus mjesečeve orbite, jednak približno 60 radijusa Zemlje, T≈ 27 dana 7 h 43 min ≈ 2,4∙10 6 s je period Mjesečeve revolucije oko Zemlje. S obzirom da je polumjer zemlje R h ≈ 6,4∙10 6 m, dobivamo da je centripetalna akceleracija Mjeseca jednaka:
\(a = \frac (4 \pi^2 \cdot 60 \cdot 6,4 \cdot 10^6)((2,4 \cdot 10^6)^2) \približno 0,0027\) m/s 2.
Pronađena vrijednost ubrzanja manja je od ubrzanja slobodnog pada tijela blizu površine Zemlje (9,8 m/s 2) za približno 3600 = 60 2 puta.
Dakle, povećanje udaljenosti između tijela i Zemlje za 60 puta dovelo je do smanjenja ubrzanja zemljine gravitacije, a posljedično i same sile gravitacije, za 60 2 puta.
Ovo dovodi do važnog zaključka: ubrzanje koje tijelima daje sila privlačenja Zemlje smanjuje se obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti do središta Zemlje
\(F \sim \frac (1)(R^2)\).
Zakon gravitacije
Godine 1667. Newton je konačno formulirao zakon univerzalne gravitacije:
\(F = G \cdot \frac (m_1 \cdot m_2)(R^2).\kvad (1)\)
Sila međusobnog privlačenja dvaju tijela izravno je proporcionalna umnošku masa tih tijela, a obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih..
Faktor proporcionalnosti G nazvao gravitacijska konstanta.
Zakon gravitacije vrijedi samo za tijela čije su dimenzije zanemarivo male u odnosu na udaljenost između njih. Drugim riječima, jedino je pošteno za materijalne bodove. U ovom slučaju, sile gravitacijske interakcije usmjerene su duž linije koja povezuje te točke (slika 2). Takve sile se nazivaju centralne.
Da biste pronašli gravitacijsku silu koja djeluje na određeno tijelo s druge strane, u slučaju kada se veličina tijela ne može zanemariti, postupite na sljedeći način. Oba su tijela mentalno podijeljena na tako male elemente da se svaki od njih može smatrati točkom. Zbrajanjem gravitacijskih sila koje djeluju na svaki element danog tijela od svih elemenata drugog tijela, dobivamo silu koja djeluje na taj element (slika 3). Izvršivši takvu operaciju za svaki element danog tijela i zbrajajući rezultirajuće sile, oni nalaze ukupnu gravitacijsku silu koja djeluje na to tijelo. Ovaj zadatak je težak.
Postoji, međutim, jedan praktično važan slučaj kada je formula (1) primjenjiva na proširena tijela. Može se dokazati da se kuglasta tijela, čija gustoća ovisi samo o udaljenostima njihovih središta, na međusobnim udaljenostima većim od zbroja polumjera, privlače silama čiji su moduli određeni formulom (1). U ovom slučaju R je udaljenost između središta kuglica.
I konačno, budući da su dimenzije tijela koja padaju na Zemlju mnogo manje od dimenzija Zemlje, ta se tijela mogu smatrati točkastima. Zatim pod R u formuli (1) treba razumjeti udaljenost od danog tijela do središta Zemlje.
Između svih tijela postoje sile međusobnog privlačenja, ovisno o samim tijelima (njihovim masama) i udaljenosti između njih.
Fizičko značenje gravitacijske konstante
Iz formule (1) nalazimo
\(G = F \cdot \frac (R^2)(m_1 \cdot m_2)\).
Slijedi da ako je udaljenost između tijela brojčano jednaka jedinici ( R= 1 m), a mase tijela koja međusobno djeluju također su jednake jedinici ( m 1 = m 2 = 1 kg), tada je gravitacijska konstanta brojčano jednaka modulu sile F. Na ovaj način ( fizičko značenje ),
gravitacijska konstanta brojčano je jednaka modulu gravitacijske sile koja na tijelo mase 1 kg djeluje s drugog tijela iste mase s razmakom između tijela jednakim 1 m..
U SI se gravitacijska konstanta izražava kao
.
Cavendish iskustvo
Vrijednost gravitacijske konstante G može se pronaći samo empirijski. Da biste to učinili, morate izmjeriti modul gravitacijske sile F, djelujući na tjelesnu masu m 1 bočna težina tijela m 2 na poznatoj udaljenosti R između tijela.
Prva mjerenja gravitacijske konstante obavljena su sredinom 18. stoljeća. Procijenite, iako vrlo grubo, vrijednost G u to vrijeme uspio kao rezultat razmatranja privlačenja njihala prema planini, čija je masa određena geološkim metodama.
Točna mjerenja gravitacijske konstante prvi put su napravljena 1798. engleski fizičar G. Cavendish pomoću uređaja koji se zove torzijska vaga. Shematski je torzijska vaga prikazana na slici 4.
Cavendish je fiksirao dvije male olovne kuglice (promjera 5 cm i težine m 1 = 775 g svaki) na suprotnim krajevima šipke od dva metra. Šipka je bila obješena na tanku žicu. Za ovu žicu prethodno su određene elastične sile koje nastaju u njoj pri uvijanju pod različitim kutovima. Dvije velike olovne kugle (promjera 20 cm i težine m 2 = 49,5 kg) može se približiti malim kuglicama. Privlačne sile velikih lopti tjerale su male loptice da se kreću prema njima, dok se rastegnuta žica malo uvijala. Stupanj uvijanja bio je mjera sile koja je djelovala između kuglica. Pokazalo se da je kut uvijanja žice (ili rotacija šipke s malim kuglicama) toliko malen da se morao mjeriti pomoću optičke cijevi. Rezultat koji je dobio Cavendish samo se 1% razlikuje od danas prihvaćene vrijednosti gravitacijske konstante:
G ≈ 6,67∙10 -11 (N∙m 2) / kg 2
Dakle, sile privlačenja dvaju tijela od po 1 kg, koja se nalaze na udaljenosti od 1 m jedno od drugog, iznose samo 6,67∙10 -11 N. To je vrlo mala sila. Samo u slučaju kada tijela ogromne mase međusobno djeluju (ili je barem masa jednog od tijela velika), gravitacijska sila postaje velika. Na primjer, Zemlja snažno vuče Mjesec F≈ 2∙10 20 N.
Gravitacijske sile su "najslabije" od svih sila prirode. To je zbog činjenice da je gravitacijska konstanta mala. Ali s velikim masama kozmičkih tijela, sile univerzalne gravitacije postaju vrlo velike. Ove sile drže sve planete blizu Sunca.
Značenje zakona gravitacije
Zakon univerzalne gravitacije leži u osnovi nebeske mehanike – znanosti o gibanju planeta. Uz pomoć ovog zakona se s velikom točnošću određuju položaji nebeskih tijela na nebeskom svodu za mnoga naredna desetljeća i izračunavaju njihove putanje. Zakon univerzalne gravitacije također se koristi u proračunima gibanja umjetnih Zemljinih satelita i međuplanetarnih automatskih vozila.
Poremećaji u kretanju planeta. Planeti se ne kreću strogo prema Keplerovim zakonima. Keplerovi zakoni bili bi strogo poštovani za kretanje određenog planeta samo ako bi ovaj planet sam kružio oko Sunca. Ali ima mnogo planeta u Sunčevom sustavu, sve njih privlači i Sunce i jedni druge. Stoga dolazi do poremećaja u kretanju planeta. U Sunčevom sustavu poremećaji su mali, jer je privlačnost planeta od strane Sunca puno jača od privlačnosti drugih planeta. Pri izračunavanju prividnog položaja planeta moraju se uzeti u obzir perturbacije. Pri lansiranju umjetnih nebeskih tijela i pri proračunu njihovih putanja koriste se približnom teorijom gibanja nebeskih tijela – teorijom poremećaja.
Otkriće Neptuna. Jedan od najjasnijih primjera trijumfa zakona univerzalne gravitacije je otkriće planeta Neptuna. Godine 1781. engleski astronom William Herschel otkrio je planet Uran. Izračunata je njegova orbita i sastavljena je tablica položaja ovog planeta za mnogo godina. Međutim, provjera ove tablice, obavljena 1840. godine, pokazala je da se njeni podaci razlikuju od stvarnosti.
Znanstvenici su sugerirali da je odstupanje u kretanju Urana uzrokovano privlačenjem nepoznatog planeta, koji se nalazi još dalje od Sunca nego Uran. Poznavajući odstupanja od izračunate putanje (poremećaji u kretanju Urana), Englez Adams i Francuz Leverrier su pomoću zakona univerzalne gravitacije izračunali položaj ovog planeta na nebu. Adams je ranije dovršio izračune, ali promatrači kojima je izvijestio svoje rezultate nisu žurili s provjerom. U međuvremenu je Leverrier, nakon što je završio svoje proračune, njemačkom astronomu Halleu pokazao mjesto gdje treba tražiti nepoznati planet. Već prve večeri, 28. rujna 1846., Halle je, usmjerivši teleskop na naznačeno mjesto, otkrio novi planet. Nazvali su je Neptun.
Na isti način je 14. ožujka 1930. godine otkriven planet Pluton. Za oba otkrića se kaže da su nastala "vrhom pera".
Koristeći zakon univerzalne gravitacije, možete izračunati masu planeta i njihovih satelita; objasniti fenomene poput oseke i oseke vode u oceanima i još mnogo toga.
Sile univerzalne gravitacije su najuniverzalnije od svih sila prirode. Oni djeluju između svih tijela koja imaju masu, a sva tijela imaju masu. Ne postoje prepreke silama gravitacije. Oni djeluju kroz bilo koje tijelo.
Književnost
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Zbornik radova. za 9 ćelija. prosj. škola - M.: Prosvjetljenje, 1992. - 191 str.
- Fizika: Mehanika. 10. razred: Proc. za produbljeni studij fizike / M.M. Balashov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky i drugi; ur. G.Ya. Myakishev. – M.: Bustard, 2002. – 496 str.
Isaac Newton je sugerirao da između svih tijela u prirodi postoje sile međusobnog privlačenja. Te se sile nazivaju gravitacijske sile ili sile gravitacije. Sila nezadržive gravitacije manifestira se u svemiru, Sunčevom sustavu i na Zemlji.
Zakon gravitacije
Newton je generalizirao zakone gibanja nebeskih tijela i utvrdio da je sila \ (F \) jednaka:
\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
gdje su \(m_1 \) i \(m_2 \) mase tijela koja međusobno djeluju, \(R \) je udaljenost između njih, \(G \) je koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva gravitacijska konstanta. Numeričku vrijednost gravitacijske konstante eksperimentalno je odredio Cavendish, mjereći silu međudjelovanja između olovnih kuglica.
Fizičko značenje gravitacijske konstante proizlazi iz zakona univerzalne gravitacije. Ako a \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , tada \(G = F \) , tj. gravitacijska konstanta jednaka je sili kojom se privlače dva tijela mase 1 kg na udaljenosti od 1 m.
Numerička vrijednost:
\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .
Sile univerzalne gravitacije djeluju između svih tijela u prirodi, ali one postaju opipljive pri velikim masama (ili ako je barem masa jednog od tijela velika). Zakon univerzalne gravitacije ispunjen je samo za materijalne točke i kuglice (u ovom slučaju se kao udaljenost uzima udaljenost između središta kuglica).
Gravitacija
Posebna vrsta univerzalne gravitacijske sile je sila privlačenja tijela prema Zemlji (ili prema drugom planetu). Ova sila se zove gravitacija. Pod djelovanjem te sile sva tijela poprimaju ubrzanje slobodnog pada.
Prema drugom Newtonovom zakonu \(g = F_T /m \) , dakle \(F_T = mg \) .
Ako je M masa Zemlje, R njen poluprečnik, m masa datog tijela, tada je sila teže jednaka
\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
Sila gravitacije uvijek je usmjerena prema središtu Zemlje. Ovisno o visini \ (h \) iznad Zemljine površine i geografska širina položaju tijela, ubrzanje slobodnog pada poprima različite vrijednosti. Na površini Zemlje iu srednjim geografskim širinama ubrzanje slobodnog pada iznosi 9,831 m/s 2 .
Tjelesna težina
U tehnologiji i svakodnevnom životu pojam tjelesne težine široko se koristi.
Tjelesna težina označen s \(P \) . Jedinica za težinu je newton (N). Budući da težina jednako snazi, kojom tijelo djeluje na oslonac, tada je, u skladu s trećim Newtonovim zakonom, težina tijela po veličini jednaka sili reakcije oslonca. Dakle, da bi se našla težina tijela, potrebno je odrediti čemu je jednaka sila reakcije oslonca.
Pretpostavlja se da je tijelo nepomično u odnosu na oslonac ili ovjes.
Težina tijela i gravitacija razlikuju se po prirodi: težina tijela je manifestacija djelovanja međumolekulskih sila, a gravitacija ima gravitacijsku prirodu.
Stanje tijela u kojem je njegova težina nula naziva se bestežinsko stanje. Bestežinsko stanje opaža se u zrakoplovu ili svemirskoj letjelici kada se kreću akceleracijom slobodnog pada, bez obzira na smjer i vrijednost brzine njihova kretanja. Izvan zemljine atmosfere, kada su mlazni motori isključeni, na letjelicu djeluje samo sila univerzalne gravitacije. Pod djelovanjem te sile svemirski brod i sva tijela u njemu gibaju se jednako ubrzano, pa se u brodu opaža bestežinsko stanje.
Javascript je onemogućen u vašem pregledniku.ActiveX kontrole moraju biti omogućene kako bi se vršili izračuni!
Sva tijela padaju na zemlju. Razlog tome je učinak gravitacije. Sila kojom zemlja privlači neko tijelo naziva se gravitacija. Označen F teškim. Uvijek je usmjeren prema dolje.
Sila gravitacije izravno je proporcionalna masi ovog tijela:
, F = mg
Gibanje tijela pod utjecajem sile teže naziva se slobodan pad. Prvi put ga je istražio G. Galileo. Otkrio je da ako na padajuća tijela djeluje samo gravitacija, a ne djeluje otpor zraka, onda se sva gibaju na isti način, tj. s istim ubrzanjem. Zvali su ga ubrzanje slobodnog pada (g). Ta se vrijednost može odrediti eksperimentalno mjerenjem pomaka padajućeg tijela u redovitim intervalima. Izračuni to pokazuju g \u003d 9,8 m/s 2.
Globus je blago spljošten na polovima. Stoga, na pol g nešto više nego na ekvatoru ili drugim geografskim širinama.
Oko svakog tijela postoji posebna vrsta materije, uz pomoć koje tijela međusobno djeluju. Naziva se gravitacijskim poljem.
Zemlja privlači sva tijela: kuće, ljude, Mjesec, Sunce, vodu u morima i oceanima itd. I sva se tijela međusobno privlače. Privlačenje svih tijela u svemiru jedno prema drugom naziva se univerzalna gravitacija. I. Newton je 1687. prvi dokazao i utvrdio zakon gravitacije.
Dva tijela privlače jedno drugo silom koja je izravno proporcionalna umnošku njihovih masa i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih.
Ta se sila naziva gravitacijska sila (ili gravitacijska sila).
Granice primjene zakona: za materijalne bodove.
G - gravitacijska konstanta G=6,67∙10 -11,
Numerička vrijednost gravitacijske konstante utvrđuje se eksperimentalno. To je prvi učinio engleski znanstvenik Cavendish pomoću torzionog dinamometra (torzijske ravnoteže). Fizičko značenje: dva materijalne bodove svaki težak 1 kg, koji se nalaze na udaljenosti od 1 m jedan od drugog, međusobno se privlače gravitacijskom silom jednakom 6,67 10 -11 N.
Iz zakona univerzalne gravitacije proizlazi da se sila teže i njome uzrokovano ubrzanje slobodnog pada smanjuju s povećanjem udaljenosti od Zemlje. Na visini h od površine Zemlje modul gravitacijskog ubrzanja određuje se formulom
Sila teže očituje se na dva načina: a) ako tijelo nema oslonac, tada sila teže priopćava tijelu akceleraciju slobodnog pada; b) ako tijelo ima oslonac, ono privučeno Zemljom djeluje na oslonac. Sila kojom tijelo djeluje na oslonac zbog privlačnosti prema Zemlji naziva se vaganje. Težina se primjenjuje na oslonac.
Ako nosač nema akceleraciju, tada modul težine jednaka modulu gravitacija. P=F težak Ako nosač ima akceleraciju prema gore, tada je modul težine veći od modula sile teže. P=F pramen +ma. Ako oslonac ima akceleraciju prema dolje, tada je modul težine manji od modula sile teže. P=F pramen -ma. Ako oslonac slobodno pada zajedno s tijelom, tada će težina biti nula. P=0. Takvo stanje se zove bestežinsko stanje.
Koristeći zakon univerzalne gravitacije, možete izračunati prvu kozmičku brzinu.
mg=ma; g=a; a=v2/R; g=v2/R; v2=gR; v = √gR., gdje je R polumjer planeta.
Ulaznica broj 5. Eksperimentalno potvrđivanje glavnih odredbi molekularno-kinetičke teorije strukture tvari. Idealan plin. Osnovna jednadžba molekularno-kinetičke teorije idealnog plina. Temperatura i njezina promjena. apsolutna temperatura.
Sva su tijela sastavljena od sitnih čestica – atoma i molekula. Drugim riječima, materija ima diskretnu strukturu. Na temelju teorije o diskretnoj strukturi tvari mogu se objasniti i predvidjeti brojna njezina svojstva.
Osnove ICT-a(molekularno kinetička teorija)
1. Sve tvari sastoje se od molekula (atoma).
2. Molekule (atomi) se stalno i nasumično kreću.
3. Molekule (atomi) međusobno djeluju.
4. Između molekula (atoma) postoje praznine.
Ove odredbe KMP-a imaju eksperimentalnu potporu. Difuzija i Brownovo gibanje potvrđuju te stavove. Difuzija - međusobno prodiranje čestica jedne tvari među čestice druge tvari kada dođu u dodir. Uzrok brownovo gibanje su toplinsko gibanje molekula tekućine (ili plina) i njihovi sudari s Brownovom česticom.
Nasumično kretanje čestica koje čine tijela naziva se toplinsko kretanje. Sve molekule tijela sudjeluju u toplinskom gibanju, pa se s promjenom toplinskog gibanja mijenja i stanje tijela, njegova svojstva. Tvar može biti u tri agregatna stanja – krutom, tekućem i plinovitom. Agregatno stanje određeno je temperaturom i vanjskim tlakom.
Stanje u kojem tvar nema svoj oblik i ne zadržava volumen naziva se plinovitim, koje se pak dijeli na plin i paru. Plin je plinovito stanje na temperaturi iznad kritične temperature. Plinovi koji postoje u prirodi nazivaju se pravi. Pri proučavanju svojstava plinova u fizici se koriste modelom plina koji ne postoji u prirodi. Ovaj model se zove idealni plin. Zadovoljava sljedeće uvjete: 1) njegove molekule ne zauzimaju volumen; 2) budući da su na udaljenostima, molekule idealnog plina ne djeluju jedna na drugu; 3) interakcije molekula javljaju se samo kod apsolutno elastičnih udara; 4) vrijeme slobodnog puta puno je duže od vremena sudara.
Bilo koji plin određen je s tri makroparametra.
A) pritisak (p) je omjer sile i površine. ( p=F/S)
B) volumen (V) je mjera ograničenog dijela prostora.
C) temperatura (T) – je mjera prosječne kinetičke energije translatornog gibanja molekula.
Za toplinske procese vrijedi osnovna jednadžba MKT, koji glasi ovako:
Slične informacije.
16.-17. stoljeće mnogi s pravom nazivaju jednim od najsjajnijih razdoblja u svijetu, a tada su uvelike postavljeni temelji bez kojih bi daljnji razvoj ove znanosti bio jednostavno nezamisliv. Kopernik, Galileo, Kepler učinili su veliki posao da fiziku proglase znanošću koja može odgovoriti na gotovo svako pitanje. U cijelom nizu otkrića izdvaja se zakon univerzalne gravitacije čija konačna formulacija pripada istaknutom engleskom znanstveniku Isaacu Newtonu.
Glavni značaj radova ovog znanstvenika nije bio u njegovom otkriću sile univerzalne gravitacije - i Galileo i Kepler su govorili o prisutnosti ove veličine i prije Newtona, već u činjenici da je on prvi dokazao da ista sile djeluju i na Zemlji i u svemiru.iste sile međudjelovanja među tijelima.
Newton je u praksi potvrdio i teorijski potkrijepio činjenicu da apsolutno sva tijela u Svemiru, uključujući i ona koja se nalaze na Zemlji, međusobno djeluju. Ova interakcija naziva se gravitacijska, dok se sam proces univerzalne gravitacije naziva gravitacija.
Ova interakcija se događa između tijela jer postoji posebna vrsta materije, za razliku od drugih, koja se u znanosti naziva gravitacijsko polje. Ovo polje postoji i djeluje oko apsolutno bilo kojeg objekta, dok nema zaštite od njega, budući da ima neusporedivu sposobnost prodiranja u sve materijale.
Sila univerzalne gravitacije, čiju je definiciju i formulaciju dao, izravno ovisi o umnošku masa tijela koja međusobno djeluju, a obrnuto o kvadratu udaljenosti između tih objekata. Prema Newtonu, nepobitno potvrđenom praktičnim istraživanjima, sila univerzalne gravitacije nalazi se sljedećom formulom:
U njemu od posebne važnosti pripada gravitacijska konstanta G, koja je približno jednaka 6,67 * 10-11 (N * m2) / kg2.
Gravitacijska sila kojom se tijela privlače prema Zemlji poseban je slučaj Newtonovog zakona i naziva se gravitacija. U ovom slučaju se gravitacijska konstanta i sama masa Zemlje mogu zanemariti, pa će formula za pronalaženje sile gravitacije izgledati ovako:
Ovdje g nije ništa drugo nego ubrzanje čija je brojčana vrijednost približno jednaka 9,8 m/s2.
Newtonov zakon objašnjava ne samo procese koji se odvijaju izravno na Zemlji, on daje odgovor na mnoga pitanja vezana uz strukturu cijelog Sunčev sustav. Konkretno, sila univerzalne gravitacije između ima odlučujući utjecaj na kretanje planeta u njihovim orbitama. Teorijski opis ovog gibanja dao je Kepler, ali je njegovo opravdanje postalo moguće tek nakon što je Newton formulirao svoj poznati zakon.
Sam Newton povezao je fenomene zemaljske i izvanzemaljske gravitacije na jednostavnom primjeru: kada se ispaljuje iz nje, ona ne leti ravno, već duž lučne putanje. U isto vrijeme, s povećanjem punjenja baruta i mase jezgre, potonji će letjeti sve dalje i dalje. Naposljetku, ako pretpostavimo da je moguće nabaviti toliko baruta i konstruirati takav top da će topovsko đule obletjeti zemaljsku kuglu, tada se ono, učinivši to kretanje, neće zaustaviti, već će nastaviti svoje kružno (elipsoidno) kretanje, pretvarajući se u umjetnu, pa je sila univerzalne gravitacije ista u prirodi i na Zemlji iu svemiru.
