Тяготение (стр. 1 из 3)

Почему упало яблоко?

В чем состоит закон тяготения?

Сила всемирного тяготения

"Дыры" в пространстве и времени

Роль масс притягивающихся тел

Почему гравитация в космосе не такая, как на земле?

Движение планет

Ньютоновская теория гравитации и движение в солнечной системе

Кто первым задумался о гравитации?

Успехи закона тяготения

ПОЧЕМУ УПАЛО ЯБЛОКО?

Яблоко важный атрибут многих легенд, мифов и сказок. Запретный плод стал источником соблазна для Евы и в конечном счете, навлек гнев божий на род человеческий. Яблоко раздора послужило поводом к отправке тысячи кораблей в Трою и к долгой Троянской войне. Отравленное яблоко чуть не погубило Белоснежку и т. д.

Однако для физиков самая важная легенда связана с яблоком, которое упало в саду в Вулсторпе, Линкольншир, Англия, в 1666 г. Вот это-то яблоко и увидел Исаак Ньютон и “впал в глубокое раздумье о причине того, почему все тела притягиваются вдоль линии, которая, будучи продолжена, прошла бы почти точно через центр Земли”.

Цитата взята из вольтеровской “Philosophic de Newton”, опубликованной в 1738 г. и содержащей самое первое из известных изложений истории с яблоком. В ранних биографиях Ньютона она не встречается; не упоминает о ней и он сам, рассказывая о том, как размышлял о всемирном тяготении. Скорее всего, это легенда.

Стоит обратить внимание на то, сколь редко можно увидеть само падение яблока с дерева. Яблоко может провисеть несколько недель на ветке и, упав, пролежать на земле еще несколько дней. Но сколько времени занимает само падение с дерева на землю? Например, при падении с высоты 3 м время полета составляет три четверти секунды. Итак, чтобы увидеть падение яблока, нужно оказаться на месте в сей решающий весьма краткий период его жизни! Шансы стать свидетелем этого события, конечно, возрастут, если оказаться в яблоневом саду в подходящее время года, но все же само по себе это событие нельзя считать особенно частым.

Еще гораздо реже появляются такие гении, как Ньютон, сумевший из размышлений о подобном явлении вывести закон тяготения. Легенда гласит, что, задумавшись над тем, почему упало яблоко. Ньютон пришел в конце концов к закону всемирного тяготения. Ответ Ньютона: “Потому что его притягивает Земля” - гораздо глубже, чем кажется на первый взгляд, поскольку он помог разрешить не только загадку падающего яблока, но и ряд давнишних загадок нашей Солнечной системы.

В ЧЕМ СОСТОИТ ЗАКОН ТЯГОТЕНИЯ?

Закон всемирного тяготения Ньютона утверждает, что сила взаимного притяжения любых двух материальных тел прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. На компактном языке математики этот закон записывается так:

.

В этой формуле F-сила тяготения между двумя телами массой т и М соответственно, расположенными на расстоянии d друг от друга, а G-универсальная постоянная. Термин массами уже встречали: она определяется как количество вещества в теле, а также является мерой инерции тела. Теперь мы обнаруживаем еще одно свойство: масса - это мера гравитационного воздействия тела на другие тела, а также мера его восприимчивости к гравитационному влиянию других тел. Если увеличить т в формуле Ньютона в 10 раз, то и сила F соответственно увеличится в 10 раз. Если т уменьшается в 10 раз, то и сила F соответственно уменьшается в 10 раз. Вследствие этого свойства гравитация не играет заметной роли в поведении атомов и молекул, массы которых невообразимо малы, тогда как в астрономии, науке, имеющей дело с небесными телами очень больших масс, гравитация важна.

Рисунок1.1Освещенность, которую создает источник света, уменьшается пропорционально квадрату расстояния от него. Эта особенность аналогичная уменьшению силы гравитационного взаимодействия точечных тел.

Вследствие уменьшения гравитации с расстоянием этот закон часто называют законом обратной пропорциональности квадрату расстояния. Таким законом описываются многие явления природы. Например, он справедлив и для освещенности, создаваемой светящимся телом. Если смотреть на лампочку мощностью 100 Вт с расстояния 5 м, то она кажется очень яркой. Та же лампочка с расстояния 50 м выглядит тусклой. Рассмотрим фиксированную площадку, расположенную перпендикулярно направлению световых лучей (рис. 1.1). Если расстояние до источника света увеличить в 10 раз (с 5 до 50 м), то количество света, падающего в секунду на эту площадку, в 100 (10 ² ) раз уменьшится. То же самое соотношение выполняется для силы гравитации F. Если увеличить расстояние d в 10 раз, то сила F станет в 10², или в 100 раз, меньше.

Здесь уместно спросить: “Почему гравитация важна в астрономии и несущественна в атомной физике, если в первой расстояния между объектами огромны, а во второй чрезвычайно малы?”. Ответ заключается в том, что, хотя по закону обратной пропорциональности квадрату расстояния сила гравитации и могла бы проявиться в масштабах атомов, другие, электромагнитные силы намного больше её.

Сила всемирного тяготения

Ньютон открыл законы движения тел. Согласно этим законам движение с ускорением возможно только под действием силы. Так как падающие тела движутся с ускорением, то на них должна действовать сила, направленная вниз, к Земле. Только ли Земля обладает свойством притягивать к себе тела, находящиеся вблизи ее поверхности? В 1667 г. Ньютон высказал предположение, что вообще между всеми телами действуют силы взаимного притяжения. Он назвал эти силы силами всемирного тяготения.

Почему же мы не замечаем взаимного притяжения между окружающими нас телами? Может быть, это объясняется тем, что силы притяжения между ними слишком малы?

Ньютону удалось показать, что сила притяжения между телами зависит от масс обоих тел и, как оказалось, достигает заметного значения только тогда, когда взаимодействующие тела (или хотя бы одно из них) обладают достаточно большой массой.

"ДЫРЫ" В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Роль масс притягивающихся тел

Ускорение свободного падения отличаются той любопытной особенностью, что оно в данном месте одинаково для всех тел, для тел любой массы. Как объяснить это странное свойство?

Единственное объяснение, которое можно найти тому, что ускорение не зависит от массы тела, заключается в том, что сила F, с которой Земля притягивает тело, пропорционально его массе m.

Действительно, в этом случае увеличение массы m, например, вдвое приведет к увеличению модуля силы F тоже вдвое, а ускорение, которое равно отношению F/m, останется неизменным. Ньютон и сделал этот единственно правильный вывод: сила всемирного тяготения пропорционально массе того тела, на которое она действует.

Но ведь тела притягиваются взаимно, причем силы взаимодействия всегда одной природы. Следовательно, и сила, с которой тело притягивает Землю, пропорциональна массе Земли. По третьему закону Ньютона эти силы равны по модулю. Значит, если одна из них пропорциональна массе Земли, то и равная ей другая сила также пропорциональна массе Земли. От сюда следует, что сила взаимного притяжения пропорциональна массам обоих взаимодействующих тел. А это значит, что она пропорциональна произведению масс обоих тел.

ПОЧЕМУ ГРАВИТАЦИЯ В КОСМОСЕ НЕ ТАКАЯ, КАК НА ЗЕМЛЕ?

Каждый предмет во Вселенной воздействует на другой предмет, они притягивают друг друга. Сила притяжения, или гравитация, зависит от двух факторов.

Во-первых, это зависит от того, сколько вещества содержит объект, тело, предмет. Чем больше масса вещества тела, тем сильней гравитация. Если тело обладает очень небольшой массой, его гравитация мала. Например, масса Земли во много раз больше массы Луны, поэтому земля имеет большую силу тяжести, чем Луна.

Во-вторых, сила тяжести зависит от расстояниями между телами. Чем ближе тела находятся друг к другу, тем сила притяжения больше. Чем они дальше друг от друга, тем гравитация меньше.

ДВИЖЕНИЕ ПЛАНЕТ

В гл. 1 отмечалось, что вплоть до средних веков в научном мышлении господствовали идеи Аристотеля. Из них выросла так называемая геоцентрическая система мира, в которой считалось, что небеса обращаются вокруг неподвижной Земли и этим объясняются регулярные восходы Солнца и звезд на востоке и заходы на западе. Мы упоминали, что идеи Аристотеля стали восприниматься как абсолютные истины не только в Греции, но и по всей Европе. Следующий пример из истории Индии показывает, что влияние геоцентрической системы мира распространилось далеко за пределы Европы.

Выдающийся индийский астроном V в. н. э. Ариабхата оспаривал представление о покоящейся Земле и движущемся космосе. В его санскритском трактате по астрономии “Ариабхатиам” имеется ясное указание на вращение Земли вокруг своей оси (глава 4, стих 9): “Подобно тому, как человек, плывущий в лодке по реке, видит, что деревья на берегу уходят в обратную сторону, так и неподвижные звезды кажутся нам движущимися с востока на запад”. Однако представление “Земля неподвижна - космос движется” так прочно укоренилось в индийской астрономии, что ученики и последователи Ариабхаты либо вообще отрицали, что он когда-либо придерживался противоположных взглядов, либо пытались истолковать упомянутое изречение иначе, чтобы оно звучало не так вызывающе для ученых того времени.

Геоцентрическая модель мира не ограничивалась только движениями звезд. Эти движения были вполне регулярны и вполне соответствовали критерию Аристотеля о кругообразности или прямолинейности естественных движений. Но был еще один класс объектов - планеты, движения которых выглядели весьма нерегулярными. (Греческое слово планетес означает “блуждающая”.) У планет иногда наблюдается попятное движение, а скорость прямого движения меняется и становится то больше, то меньше. Чтобы приспособить такие движения к аристотелевой системе мира, греческим астрономам, в особенности Гиппарху и Птолемею, пришлось прибегнуть к сложным геометрическим построениям, включающим круговые пути планет, называемые эпициклами. Эта попытка была небезуспешной в том смысле, что с помощью теории эпициклов удавалось предсказывать, в какой части неба будет находиться планета в данный день. В те времена требования к точности наблюдений не были такими жесткими, как теперь, и благодаря успехам этой теории, естественно, она приобрела статус догмы.