Обі-Ван Кенобі сказав, що сила скріплює галактику. Те саме можна сказати і про гравітацію. Факт – гравітація дозволяє нам ходити Землею, Землі обертатися навколо Сонця, а Сонцю рухатися навколо надмасивної чорної дірки у центрі нашої галактики. Як зрозуміти гравітацію? Про це – у нашій статті.
Відразу скажемо, що ви не знайдете тут однозначно правильної відповіді на запитання "Що таке гравітація". Тому що його просто нема! Гравітація – одне з найтаємничіших явищ, над яким вчені ламають голову і досі не можуть пояснити його природу.
Є безліч гіпотез та думок. Налічується понад десяток теорій гравітації, альтернативних та класичних. Ми розглянемо найцікавіші, актуальні та сучасні.
Хочете більше корисної інформаціїта свіжих новин кожен день? Приєднуйтесь до нас у телеграм.
Гравітація – фізична фундаментальна взаємодія
Усього у фізиці 4 фундаментальні взаємодії. Завдяки їм світ є саме таким, яким він є. Гравітація – одна з цих взаємодій.
Фундаментальні взаємодії:
- гравітація;
- електромагнетизм;
- сильна взаємодія;
- слабка взаємодія.
На даний момент чинною теорією, що описує гравітацію, є ВТО ( загальна теоріявідносності). Вона була запропонована Альбертом Ейнштейном у 1915-1916 роках.
Однак ми знаємо, що про істину в останній інстанції говорити зарано. Адже кілька століть до появи ОТО у фізиці для опису гравітації панувала Ньютонівська теорія, яка була суттєво розширена.
У рамках ВТО на даний момент не можна пояснити та описати всі питання, пов'язані з гравітацією.
До Ньютона була поширена думка, що гравітація землі і небесна гравітація – різні речі. Вважалося, що планети рухаються за своїми, відмінними від земних, ідеальними законами.
Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння у 1667 році. Звичайно, цей закон існував ще за динозаврів і набагато раніше.
Античні філософи замислювалися над існуванням сили тяжіння. Галілей експериментально розрахував прискорення вільного падінняна Землі, відкривши, що вона однакова для тіл будь-якої маси. Кеплер вивчав закони руху небесних тіл.
Ньютону вдалося сформулювати та узагальнити результати спостережень. Ось що в нього вийшло:
Два тіла притягуються один до одного із силою, яка називається гравітаційною силоючи силою тяжіння.
Формула сили тяжіння між тілами:
G – гравітаційна стала, m – маси тіл, r – відстань між центрами мас тіл.
Який фізичний зміст гравітаційної постійної? Вона дорівнює силі, з якою діють один на одного тіла з масами в 1 кілограм кожне, перебуваючи на відстані 1 метр один від одного.
За теорією Ньютона, кожен об'єкт створює гравітаційне поле. Точність закону Ньютона була перевірена на відстані менше одного сантиметра. Звичайно, для малих мас ці сили незначні, і їх можна знехтувати.
Формула Ньютона застосовна як розрахунку сили тяжіння планет до сонця, так маленьких об'єктів. Ми просто не помічаємо, із якою силою притягуються, скажімо, кулі на більярдному столі. Тим не менш, ця сила є і її можна розрахувати.
Сила тяжіння діє між будь-якими тілами у Всесвіті. Її дія поширюється будь-які відстані.
Закон всесвітнього тяжіння Ньютона не пояснює природи сили тяжіння, але встановлює кількісні закономірності. Теорія Ньютона не суперечить ВТО. Її цілком достатньо для вирішення практичних завдань у масштабах Землі та для розрахунку руху небесних тіл.
Гравітація у ВТО
Незважаючи на те, що теорія Ньютона цілком застосовна на практиці, вона має низку недоліків. Закон всесвітнього тяжіння є математичним описом, але не дає уявлення про фундаментальну фізичну природу речей.
Згідно з Ньютоном, сила тяжіння діє на будь-яких відстанях. Причому діє миттєво. З огляду на те, що найбільша швидкість у світі – швидкість світла, виходить невідповідність. Як гравітація може миттєво діяти на будь-які відстані, коли для їх подолання світла потрібна не миттєвість, а кілька секунд чи навіть років?
У рамках ВТО гравітація розглядається не як сила, що діє на тіла, але як викривлення простору та часу під дією маси. Таким чином, гравітація – не силова взаємодія.
Яка дія гравітації? Спробуємо описати його за допомогою аналогії.
Уявімо простір у вигляді пружного листа. Якщо покласти на нього легкий тенісний м'ячик, то поверхня залишиться рівною. Але якщо поруч із м'ячиком покласти важку гирю, вона продавить на поверхні ямку, і м'ячик почне скочуватися до великої та важкої гири. Це і є гравітація.
До речі! Для наших читачів зараз діє знижка 10% на будь-який вид роботи
Відкриття гравітаційних хвиль
Гравітаційні хвилі були передбачені Альбертом Ейнштейном ще 1916 року, але відкрили їх лише через сто років, 2015-го.
Що таке гравітаційні хвилі? Знову проведемо аналогію. Якщо кинути камінь у спокійну воду, від місця його падіння поверхнею води підуть кола. Гравітаційні хвилі – така ж брижі, обурення. Тільки не на воді, а у світовому просторі-часі.
Замість води – простір-час, а замість каменю, скажімо, чорна дірка. Будь-яке прискорене пересування маси породжує гравітаційну хвилю. Якщо тіла перебувають у стані вільного падіння, при проходженні гравітаційної хвилі відстань між ними зміниться.
Оскільки гравітація – дуже слабка взаємодія, виявлення гравітаційних хвиль пов'язано з великими технічними труднощами. Сучасні технологіїдозволили виявити сплеск гравітаційних хвиль лише від надмасивних джерел.
Підходяща подія для реєстрації гравітаційної хвилі - злиття чорних дірок. На жаль чи на щастя, це відбувається досить рідко. Проте вченим вдалося зареєструвати хвилю, яка буквально розкотилася простором Всесвіту.
Для реєстрації гравітаційних хвиль було збудовано детектор діаметром 4 кілометри. Під час проходження хвилі реєструвалися коливання дзеркал на підвісах у вакуумі та інтерференція світла, відбитого від них.
Гравітаційні хвилі підтвердили справедливість ВТО.
Гравітація та елементарні частинки
У стандартній моделі за кожну взаємодію відповідають певні елементарні частки. Можна сміливо сказати, що частки є переносниками взаємодій.
За гравітацію відповідає гравітон – гіпотетична безмасова частка, що має енергію. До речі, в нашому окремому матеріалі читайте докладніше про бозон Хіггса, що наробив багато шуму, та інших елементарних частинках.
Насамкінець наведемо кілька цікавих фактів про гравітацію.
10 фактів про гравітацію
- Щоб подолати силу гравітації Землі, тіло повинно мати швидкість 7,91 км/с. Це перша космічна швидкість. Її достатньо, щоб тіло (наприклад, космічний зонд) рухалося орбітою навколо планети.
- Щоб вирватися з гравітаційного поля Землі, космічний корабельповинен мати швидкість щонайменше 11,2 км/с. Це друга космічна швидкість.
- Об'єкти із найбільш сильною гравітацією – чорні дірки. Їхня гравітація настільки велика, що вони притягують навіть світло (фотони).
- У жодному рівнянні квантової механікиви не знайдете сили гравітації. Справа в тому, що при спробі включення гравітації до рівнянь вони втрачають свою актуальність. Це одна з найважливіших проблем сучасної фізики.
- Слово гравітація походить від латинського “gravis”, що означає “важкий”.
- Чим масивніший об'єкт, тим сильніша гравітація. Якщо людина, яка на Землі важить 60 кілограм, зважиться на Юпітері, ваги покажуть 142 кілограми.
- Вчені NASA намагаються розробити гравітаційний промінь, який дозволить переміщати предмети безконтактно, долаючи силу тяжіння.
- Астронавти на орбіті також зазнають гравітації. Точніше, мікрогравітацію. Вони ніби нескінченно падають разом із кораблем, у якому перебувають.
- Гравітація завжди притягує та ніколи не відштовхує.
- Чорна діра, розміром із тенісний м'яч, притягує об'єкти з тією самою силою, що й наша планета.
Тепер ви знаєте визначення гравітації та можете сказати, за якою формулою розраховується сила тяжіння. Якщо граніт науки придушує вас до землі сильніше, ніж гравітація, звертайтесь до нашого студентського сервісу. Ми допоможемо легко вчитися при найбільших навантаженнях!
Чому випущений із рук камінь падає на Землю? Тому що його притягує Земля, скаже кожен із вас. Насправді камінь падає на Землю з прискоренням вільного падіння. Отже, на камінь із боку Землі діє сила, спрямована до Землі. Згідно з третім законом Ньютона і камінь діє на Землю з такою ж за модулем силою, спрямованою до каменю. Іншими словами, між Землею та каменем діють сили взаємного тяжіння.
Ньютон був першим, хто спочатку здогадався, а потім і суворо довів, що причина, що викликає падіння каменю на Землю, рух Місяця навколо Землі та планет навколо Сонця, одна й та сама. Це сила тяжіння, що діє між будь-якими тілами Всесвіту. Ось перебіг його міркувань, наведених у головній праці Ньютона «Математичні засади натуральної філософії»:
«Покинутий горизонтально камінь відхилиться під впливом тяжкості від прямолінійного шляху і, описавши криву траєкторію, впаде нарешті Землю. Якщо його кинути з більшою швидкістю, він впаде далі» (рис. 1).
Продовжуючи ці міркування, Ньютон приходить до висновку, що якби не опір повітря, то траєкторія каменю, кинутого з високої гори з певною швидкістю, могла б стати такою, що він взагалі ніколи не досяг би поверхні Землі, а рухався навколо неї «подібно до того , як планети описують у небесному просторі свої орбіти».
Зараз нам став настільки звичним рух супутників навколо Землі, що пояснювати думку Ньютона докладніше не потрібно.
Отже, на думку Ньютона, рух Місяця навколо Землі або планет навколо Сонця - це теж вільне падіння, але тільки падіння, яке триває, не припиняючись, мільярди років. Причиною такого «падіння» (чи йдеться дійсно про падіння звичайного каменю на Землю або рух планет по їх орбітах) є сила всесвітнього тяжіння. Від чого ця сила залежить?
Залежність сили тяжіння від маси тіл
Галілей довів, що при вільному падінні Земля повідомляє всім тілам у цьому місці одне й те саме прискорення незалежно від їхньої маси. Але прискорення за другим законом Ньютона обернено пропорційно масі. Як же пояснити, що прискорення, яке повідомляє тіло силою тяжіння Землі, однаково для всіх тіл? Це можливо лише в тому випадку, якщо сила тяжіння Землі прямо пропорційна масі тіла. У цьому випадку збільшення маси т, наприклад, удвічі призведе до збільшення модуля сили Fтеж удвічі, а прискорення, яке дорівнює \(a = \frac(F)(m)\), залишиться незмінним. Узагальнюючи цей висновок для сил тяжіння між будь-якими тілами, робимо висновок, що сила всесвітнього тяжіння прямо пропорційна масі тіла, на яке ця сила діє.
Але у взаємному тяжінні беруть участь щонайменше два тіла. На кожне з них, згідно з третім законом Ньютона, діють однакові за модулем сили тяжіння. Тому кожна з цих сил має бути пропорційна як масі одного тіла, так і масі іншого тіла. Тому сила всесвітнього тяжіння між двома тілами прямо пропорційна добутку їх мас:
\(F \sim m_1 \cdot m_2\)
Залежність сили тяжіння від відстані між тілами
З досвіду добре відомо, що прискорення вільного падіння дорівнює 9,8 м/с 2 і однаково для тіл, що падають з висоти 1, 10 і 100 м, тобто не залежить від відстані між тілом і Землею. Це ніби-то означає, що й сила від відстані не залежить. Але Ньютон вважав, що відраховувати відстані треба від поверхні, як від центру Землі. Але радіус Землі 6400 км. Зрозуміло, кілька десятків, сотень і навіть тисяч метрів над поверхнею Землі що неспроможні помітно змінити значення прискорення вільного падіння.
Щоб з'ясувати, як впливає відстань між тілами на силу їхнього взаємного тяжіння, потрібно було б дізнатися, яке прискорення тіл, віддалених від Землі на досить великі відстані. Однак спостерігати та вивчати вільне падіння тіла з висоти у тисячі кілометрів над Землею важко. Але сама природа прийшла тут на допомогу і дала можливість визначити прискорення тіла, що рухається по колу навколо Землі і тому має відчутне прискорення, викликане, зрозуміло, тією ж силою тяжіння до Землі. Таким тілом є природний супутник Землі – Місяць. Якби сила тяжіння між Землею та Місяцем не залежала від відстані між ними, то доцентрове прискорення Місяця було б таким самим, як прискорення тіла, що вільно падає біля поверхні Землі. Насправді ж доцентрове прискорення Місяця дорівнює 0,0027 м/с 2 .
Доведемо це. Звернення Місяця навколо Землі відбувається під впливом сили тяжіння з-поміж них. Приблизно орбіту Місяця вважатимуться окружністю. Отже, Земля повідомляє Місяцю доцентрове прискорення. Воно обчислюється за формулою \(a = \frac (4 \pi^2 \cdot R)(T^2)\), де R- радіус місячної орбіти, що дорівнює приблизно 60 радіусам Землі, Т≈ 27 діб 7 год 43 хв ≈ 2,4∙10 6 с – період навернення Місяця навколо Землі. Враховуючи, що радіус Землі Rз ≈ 6,4∙10 6 м, отримаємо, що доцентрове прискорення Місяця дорівнює:
\(a = \frac (4 \pi^2 \cdot 60 \cdot 6,4 \cdot 10^6)((2,4 \cdot 10^6)^2) \approx 0,0027\) м/с 2 .
Знайдене значення прискорення менше прискорення вільного падіння тіл біля Землі (9,8 м/с 2) приблизно 3600 = 60 2 раз.
Таким чином, збільшення відстані між тілом і Землею у 60 разів призвело до зменшення прискорення, що повідомляється земним тяжінням, а отже, і самої сили тяжіння у 60-2 разів.
Звідси випливає важливий висновок: прискорення, яке повідомляє тілам сила тяжіння до Землі, зменшується пропорційно квадрату відстані до центру Землі
\(F \sim \frac(1)(R^2)\).
Закон всесвітнього тяготіння
У 1667 р. Ньютон остаточно сформулював закон всесвітнього тяжіння:
\(F = G \cdot \frac (m_1 \cdot m_2)(R^2).\quad (1)\)
Сила взаємного тяжіння двох тіл прямо пропорційна добутку мас цих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.
Коефіцієнт пропорційності Gназивається гравітаційної постійної.
Закон всесвітнього тяготіннясправедливий лише для таких тіл, розміри яких зневажливо малі проти відстанню з-поміж них. Інакше кажучи, він справедливий для матеріальних точок. При цьому сили гравітаційної взаємодії спрямовані вздовж лінії, яка з'єднує ці точки (рис. 2). Такі сили називаються центральними.
Для знаходження сили тяжіння, що діє дане тіло зі сторони іншого, у разі, коли розмірами тіл знехтувати не можна, надходять таким чином. Обидва тіла подумки поділяють настільки малі елементи, щоб кожен із новачків можна було вважати точковим. Складаючи сили тяжіння, що діють на кожен елемент даного тіла з боку всіх елементів іншого тіла, набувають чинності, що діє на цей елемент (рис. 3). Виконавши таку операцію для кожного елемента даного тіла і склавши отримані сили, знаходять повну силу тяжіння, що діє на це тіло. Завдання це складне.
Є, однак, один практично важливий випадок, коли формула (1) може бути застосована до протяжних тіл. Можна довести, що сферичні тіла, щільність яких залежить тільки від відстаней до їхніх центрів, при відстанях між ними, більших сум їх радіусів, притягуються з силами, модулі яких визначаються формулою (1). В цьому випадку R- Це відстань між центрами куль.
І, нарешті, оскільки розміри падаючих Землю тіл набагато менше розмірів Землі, ці тіла можна як точкові. Тоді під Rу формулі (1) слід розуміти відстань від даного тіла до центру Землі.
Між усіма тілами діють сили взаємного тяжіння, що залежать від самих тіл (їх мас) та від відстані між ними.
Фізичний сенс гравітаційної постійної
З формули (1) знаходимо
\ (G = F \ cdot \ frac (R ^ 2) (m_1 \ cdot m_2) \).
Звідси випливає, що якщо відстань між тілами чисельно дорівнює одиниці ( R= 1 м) і маси тіл, що взаємодіють, теж рівні одиниці ( m 1 = m 2 = 1 кг), то гравітаційна постійна чисельно дорівнює модулю сили F. Таким чином ( фізичний сенс ),
гравітаційна стала чисельно дорівнює модулю сили тяжіння, що діє на тіло масою 1 кг з боку іншого тіла такої ж маси при відстані між тілами, що дорівнює 1 м.
У СІ гравітаційна постійна виражається в
.
Досвід Кавендіша
Значення гравітаційної постійної Gможе бути знайдено лише досвідченим шляхом. Для цього треба виміряти модуль сили тяжіння F, що діє на тіло масою m 1 з боку тіла масою m 2 за відомої відстані Rміж тілами.
Перші виміри гравітаційної постійної були здійснені в середині XVIII ст. Оцінити, правда дуже грубо, значення Gтоді вдалося в результаті розгляду тяжіння маятника до гори, маса якої була визначена геологічними методами.
Точні вимірювання постійної гравітаційної вперше були проведені в 1798 р. англійським фізикомГ. Кавендішем за допомогою приладу, званого крутильними вагами. Схематично крутильні ваги показані малюнку 4.
Кавендіш закріпив дві маленькі свинцеві кулі (діаметром 5 см і масою m 1 = 775 г кожен) на протилежних кінцях двометрового стрижня. Стрижень був підвішений на тонкому дроті. Для цього дроту попередньо визначалися сили пружності, що виникають у ньому при закручуванні різні кути. Дві великі свинцеві кулі (діаметром 20 см і масою m 2 = 49,5 кг) можна було близько підводити до маленьких куль. Сили тяжіння з боку великих куль змушували маленькі кулі переміщатися до них, при цьому натягнутий дріт трохи закручувався. Ступінь закручування була мірою сили, що діє між кулями. Кут закручування дроту (або повороту стрижня з малими кулями) виявився настільки малим, що його довелося вимірювати оптичною трубою. Результат, отриманий Кавендішем, лише на 1% відрізняється від значення постійної гравітаційної, прийнятого сьогодні:
G ≈ 6,67∙10 -11 (Н∙м 2)/кг 2
Таким чином, сили тяжіння двох тіл масою по 1 кг кожне, що знаходяться на відстані 1 м одна від одної, за модулями дорівнюють лише 6,67∙10 -11 Н. Це дуже мала сила. Тільки в тому випадку, коли взаємодіють тіла величезної маси (або, принаймні, маса одного з тіл велика), сила тяжіння стає великою. Наприклад, Земля притягує Місяць із силою F≈ 2∙10 20 Н.
Гравітаційні сили - "найслабші" з усіх сил природи. Це з тим, що гравітаційна стала мала. Але за великих масах космічних тіл сили всесвітнього тяжіння стають дуже великими. Ці сили утримують усі планети біля Сонця.
Значення закону всесвітнього тяжіння
Закон всесвітнього тяжіння є основою небесної механіки – науки про рух планет. За допомогою цього закону з величезною точністю визначаються положення небесних тіл на небесному склепінні на багато десятків років уперед і обчислюються їх траєкторії. Закон всесвітнього тяжіння застосовується також у розрахунках руху штучних супутників Землі та міжпланетних автоматичних апаратів.
Обурення у русі планет. Планети не рухаються за законами Кеплера. Закони Кеплера точно дотримувалися б руху даної планети лише тому випадку, коли навколо Сонця зверталася одна ця планета. Але у Сонячній системі планет багато, усі вони притягуються як Сонцем, і один одним. Тому виникають збурення руху планет. У Сонячній системі обурення невеликі, тому що тяжіння планети Сонцем набагато сильніше за тяжіння іншими планетами. При обчисленні видимого стану планет доводиться враховувати обурення. При запуску штучних небесних тіл і розрахунку їх траєкторій користуються наближеною теорією руху небесних тіл – теорією обурень.
Відкриття Нептуна. Одним із яскравих прикладів тріумфу закону всесвітнього тяжіння є відкриття планети Нептун. У 1781 р. англійський астроном Вільям Гершель відкрив планету Уран. Було обчислено її орбіту та складено таблицю положень цієї планети на багато років уперед. Проте перевірка цієї таблиці, проведена 1840 р., показала, що її розходяться з реальністю.
Вчені припустили, що відхилення в русі Урана викликане тяжінням невідомої планети, що знаходиться від Сонця ще далі, ніж Уран. Знаючи відхилення від розрахункової траєкторії (обурення руху Урану), англієць Адаме і француз Леверр'є, користуючись законом всесвітнього тяжіння, вирахували становище цієї планети на небі. Адамі раніше закінчив обчислення, але спостерігачі, яким він повідомив свої результати, не поспішали з перевіркою. Тим часом Леверр'є, закінчивши обчислення, вказав німецькому астроному Галле місце, де треба шукати невідому планету. Першого ж вечора, 28 вересня 1846 р., Галле, направивши телескоп на вказане місце, виявив нову планету. Її назвали Нептуном.
Так само 14 березня 1930 р. було відкрито планету Плутон. Обидва відкриття, як кажуть, було зроблено «на кінчику пера».
З допомогою закону всесвітнього тяжіння можна визначити масу планет та його супутників; пояснити такі явища, як припливи та відливи води в океанах, та багато іншого.
Сили всесвітнього тяжіння – найуніверсальніші з усіх сил природи. Вони діють між будь-якими тілами, які мають масу, а масу мають всі тіла. Для сил тяжіння немає ніяких перешкод. Вони діють крізь будь-які тіла.
Література
- Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика: Навч. для 9 кл. середовищ. шк. - М.: Просвітництво, 1992. - 191 с.
- Фізика: Механіка. 10 кл.: Навч. для поглибленого вивчення фізики/М.М. Балашов, А.І. Гомонова, А.Б. Долицький та ін; За ред. Г.Я. М'якішева. - М.: Дрофа, 2002. - 496 с.
Ісаак Ньютон висунув припущення, що між будь-якими тілами у природі існують сили взаємного тяжіння. Ці сили називають силами гравітаціїабо силами всесвітнього тяжіння. Сила несмирного тяжіння проявляється в космосі, Сонячній системі та на Землі.
Закон всесвітнього тяготіння
Ньютон узагальнив закони руху небесних тіл і з'ясував, що сила (F) дорівнює:
\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
де \(m_1 \) та \(m_2 \) - маси взаємодіючих тіл, \(R \) - відстань між ними, \(G \) - коефіцієнт пропорційності, який називається гравітаційної постійної. Чисельне значення гравітаційної постійної дослідним шляхом визначив Кавендіш, вимірюючи силу взаємодії між свинцевими кулями.
Фізичний сенс гравітаційної постійної випливає із закону всесвітнього тяжіння. Якщо \(m_1 = m_2 = 1 \text(кг) \), \(R = 1 \text(м) \) , то \(G = F \) , тобто гравітаційна постійна дорівнює силі, з якою притягуються два тіла по 1 кг на відстані 1 м.
Чисельне значення:
\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) Н \cdot() м^2/ кг^2 \) .
Сили всесвітнього тяжіння діють між будь-якими тілами в природі, але відчутними вони стають при великих масах (або хоча б маса одного з тіл велика). Закон всесвітнього тяжіння виконується тільки для матеріальних точок і куль (у цьому випадку за відстань приймається відстань між центрами куль).
Сила тяжіння
Приватним видом сили всесвітнього тяжіння є сила тяжіння тіл до Землі (чи іншої планети). Цю силу називають силою тяжіння. Під дією цієї сили всі тіла набувають прискорення вільного падіння.
Відповідно до другого закону Ньютона \(g = F_Т /m \), отже, \(F_T = mg \) .
Якщо M – маса Землі, R – її радіус, m – маса даного тіла, то сила тяжіння дорівнює
\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
Сила тяжіння завжди спрямована до центру Землі. Залежно від висоти (h) над поверхнею Землі та географічної широтиположення тіла прискорення вільного падіння набуває різних значень. На Землі й у середніх широтах прискорення вільного падіння дорівнює 9,831 м/с 2 .
Вага тіла
У техніці та побуті широко використовується поняття ваги тіла.
Вага тілапозначається (P). Одиниця ваги - Ньютон (Н). Оскільки вага дорівнює силі, з якою тіло діє на опору, то відповідно до третього закону Ньютона за величиною вага тіла дорівнює силі реакції опори. Тому, щоб знайти вагу тіла, необхідно визначити, чому дорівнює сила реакції опори.
При цьому передбачається, що тіло нерухоме щодо опори чи підвісу.
Вага тіла та сила тяжіння відрізняються за своєю природою: вага тіла є проявом дії міжмолекулярних сил, а сила тяжіння має гравітаційну природу.
Стан тіла, в якому його вага дорівнює нулю, називають невагомістю. Стан невагомості спостерігається в літаку або космічному кораблі під час руху з прискоренням вільного падіння незалежно від напрямку та значення швидкості їхнього руху. За межами земної атмосфери при виключенні реактивних двигунів на космічний корабель діє лише сила всесвітнього тяжіння. Під дією цієї сили космічний корабель і всі тіла, що знаходяться в ньому, рухаються з однаковим прискоренням, тому в кораблі спостерігається стан невагомості.
У вашому браузері вимкнено Javascript.Щоб розрахувати, необхідно дозволити елементи ActiveX!
Усі тіла падають на Землю. Причиною цього є дія сили тяжіння. Сила, з якою Земля притягує до себе тіло, називається силою тяжіння. Позначається F тяж. Вона завжди спрямована вниз.
Сила тяжіння прямо пропорційна масі цього тіла:
, F = mg
Рух тіла під дією сили тяжіння називається вільним падінням. Вперше воно було досліджено Г. Галілеєм. Він встановив, що й на падаючі тіла діє лише сила тяжкості і діє опору повітря, всі вони рухаються однаково, тобто. з тим самим прискоренням. Його назвали прискорення вільного падіння (g).Цю величину можна визначити експериментальним шляхом, вимірявши переміщення падаючого тіла через рівні проміжки часу. Обчислення показують, що g = 9,8 м/с2.
Земна куля трохи сплюснуть біля полюсів. Тому на полюсі gтрохи більше, ніж на екваторі чи інших широтах.
Навколо будь-якого тіла існує особливий вид матерії, за допомогою якого взаємодіють тіла. Його називають гравітаційним полем.
Земля притягує всі тіла: будинки, людей, Місяць, Сонце, воду у морях та океанах тощо. І всі тіла притягуються одне до одного. Тяжіння всіх тіл Всесвіту один до одного називається всесвітнім тяжінням.У 1687 р. І. Ньютон першим довів і встановив закон всесвітнього тяготіння.
Два тіла притягують один до одного силою, прямо пропорційному добуткумас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними.
Цю силу називають силою тяжіння (або гравітаційною силою).
Кордони застосування закону: для матеріальних точок.
G – гравітаційна стала G=6,67∙10 –11 ,
Числове значення постійної гравітаційної встановлюють експериментально. Вперше це зробив англійський учений Кавендіш за допомогою динамічного крутильного (крутильних ваг). Фізичний зміст: дві матеріальні точкимасою 1 кг кожна, що знаходяться один від одного на відстані 1 м, взаємно притягуються гравітаційною силою, що дорівнює 6,67 · 10 -11 Н.
З закону всесвітнього тяжіння випливає, що сила тяжкості та прискорення вільного падіння, що викликається нею, зменшуються при збільшенні відстані від Землі. На висоті від поверхні Землі модуль прискорення вільного падіння визначають за формулою
Сила тяжіння поводиться двояко: а) якщо тіло немає опори, то сила тяжкості повідомляє тілу прискорення вільного падіння; б) якщо тіло має опору, то, притягаючись до Землі, воно діє на опору. Сила, з якою тіло діє на опору внаслідок тяжіння до Землі, називає вагою. Вага додана до опори.
Якщо опора не має прискорення, то модуль ваги дорівнює модулюсили тяжіння. P=F тяж. Якщо опора має прискорення, спрямоване вгору, то модуль ваги більший від модуля сили тяжіння. P=F тяж +ma. Якщо опора має прискорення, спрямоване вниз, то модуль ваги менший від модуля сили тяжіння. P=F тяж -ma. Якщо опора разом із тілом буде вільно падати, то вага виявиться рівним нулю. P=0. Такий стан називається невагомістю.
Використовуючи закон всесвітнього тяжіння, можна розрахувати першу космічну швидкість.
mg = ma; g=a; а=v 2 /R; g=v 2 /R; v 2 = gR; v = √gR., де R-радіус планети.
Білет № 5. Досвідчене обґрунтування основних положень молекулярно-кінетичної теорії будови речовини. Ідеальний газ. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Температура та її зміна. Абсолютна температура.
Усі тіла складаються з найдрібніших частинок – атомів та молекул. Інакше висловлюючись, речовина має дискретну структуру. На основі теорії про дискретну будову речовини можна пояснити та передбачити ряд її властивостей.
Основи МКТ(Молекулярно-кінетичної теорії)
1. Усі речовини складаються з молекул (атомів).
2. Молекули (атоми) постійно та хаотично рухаються.
3. Молекули (атоми) взаємодіють між собою.
4. Між молекулами (атомами) є проміжки.
Ці положення МКТ мають дослідне обґрунтування. Дифузія та броунівський рух підтверджують ці положення. Дифузія - Взаємне проникнення частинок однієї речовини між частинками іншої речовини при їх зіткненні. Причиною броунівського рухує тепловий рух молекул рідини (або газу) та їх зіткнення з броунівською часткою.
Безладний рух частинок, з яких складаються тіла, називають тепловим рухом.У тепловому русі беруть участь усі молекули тіла, тому зі зміною теплового руху змінюється і стан тіла, його властивості. Речовина може перебувати у трьох агрегатних станах – твердому, рідкому та газоподібному. Агрегатний стан визначається температурою та зовнішнім тиском.
Стан, у якому речовина немає власної форми і зберігає обсяг, називається газоподібним, що у своє чергу ділиться газ і пар. Газом називається газоподібний стан при температурі вище критичної. Гази, що у природі, називаються реальними. При вивченні властивостей газів у фізиці користуються моделлю газу, що не існує у природі. Цю модель називають ідеальний газ. Він задовольняє наступним умовам: 1) його молекули не займають обсяг; 2) перебуваючи на відстанях, молекули ідеального газу не взаємодіють між собою; 3) взаємодії молекул відбуваються лише за абсолютно пружних ударах; 4) час вільного пробігу набагато більше часу зіткнення.
Будь-який газ визначається трьома макропараметрами.
А) тиск (р) - є відношення сили до площі. p=F/S)
Б) обсяг (V) - є міра обмеженої частини простору.
В) температура (Т) – є міра середньої кінетичної енергії поступального руху молекул.
Для теплових процесів справедливо основне рівняння МКТ, яке читається так:
Подібна інформація.
XVI - XVII століття багато хто по праву називає одним із найславетніших періодів саме в цей час були багато в чому закладені ті основи, без яких подальший розвиток цієї науки було б просто немислимим. Коперник, Галілей, Кеплер проробили величезну роботу, щоб заявити про фізику як науку, яка може дати відповідь практично будь-яке питання. Особняком у низці відкриттів стоїть закон всесвітнього тяжіння, остаточне формулювання якого належить видатному англійському вченому Ісааку Ньютону.
Основне значення робіт цього вченого полягало над відкритті їм сили всесвітнього тяжіння - про наявність цієї величини ще до Ньютона говорив і Галілей, і Кеплер, а тому, що він першим довів, що і Землі, і у космічному просторі діють одні й ті ж сили взаємодії між тілами.
Ньютон на практиці підтвердив і теоретично обґрунтував той факт, що абсолютно всі тіла у Всесвіті, у тому числі й ті, що знаходяться на Землі, взаємодіють один з одним. Ця взаємодія отримала назву гравітаційного, тоді як сам процес всесвітнього тяжіння – гравітації.
Ця взаємодія виникає між тілами тому, що існує особливий, несхожий на інші, вид матерії, який у науці отримав назву гравітаційного поля. Це поле існує і діє навколо будь-якого предмета, при цьому ніякого захисту від нього не існує, так як він має ні на що не схожу здатність проникати в будь-які матеріали.
Сила всесвітнього тяжіння, визначення та формулювання якої дав знаходиться у прямій залежності від твору мас взаємодіючих тіл, та у зворотній залежності від квадрата відстані між цими об'єктами. На думку Ньютона, незаперечно підтвердженого практичними дослідженнями, сила всесвітнього тяжіння перебуває за такою формулою:
У ній особливе значення належить постійній гравітаційній G, яка приблизно дорівнює 6,67*10-11(Н*м2)/кг2.
Сила всесвітнього тяжіння, з якою тіла притягуються до Землі, є окремим випадком закону Ньютона і називається силою тяжіння. В даному випадку гравітаційною постійною і масою самої Землі можна знехтувати, тому формула знаходження сили тяжіння виглядатиме так:
Тут g - не що інше, як прискорення числове значення якого приблизно дорівнює 9,8 м/с2.
Закон Ньютона пояснює не тільки процеси, що відбуваються безпосередньо на Землі, він дає відповідь на безліч питань, пов'язаних з улаштуванням усієї Сонячна система. Зокрема, сила всесвітнього тяжіння між надає вирішальний вплив на рух планет за своїми орбітами. Теоретичний опис цього руху було дано ще Кеплером, проте обґрунтування його стало можливим лише після того, як Ньютон сформулював свій знаменитий закон.
Сам Ньютон пов'язував явища земної та позаземної гравітації на простому прикладі: при пострілі летить не прямо, а по дугоподібній траєкторії. При цьому при збільшенні заряду пороху і маси ядра останнє відлітатиме все далі і далі. Нарешті, якщо припустити, що можна дістати стільки пороху і сконструювати таку гармату, щоб ядро облетіло навколо Земної кулі, то, проробивши цей рух, воно не зупиниться, а продовжуватиме свій круговий (еліпсоподібний) рух, перетворившись на штучний. Як наслідок, сила всесвітнього тяжіння однакова за своєю природою і Землі, й у космічному просторі.
