Gravitační síly: definice, vzorec, typy

K otázce "Co je síla?" Fyzika odpovídá takto: "Síla je měřítkem vzájemného působení hmotných těles mezi sebou nebo mezi těly a jinými hmotnými objekty - fyzickými poli". Všechny síly v přírodě lze přičíst čtyř základním typům interakcí: silné, slabé, elektromagnetické a gravitační. Náš článek hovoří o tom, jaké jsou gravitační síly - měřítko těchto druhů a možná nejrozšířenější typ přírody těchto interakcí.

Začněme s přitažlivostí země

Každý žijící ví, že existuje síla, která přitahuje předměty na zemi. Obvykle se označuje jako gravitace, gravitace nebo gravitace. Kvůli své přítomnosti u lidí se objevily pojmy "horní" a "spodní", které určují směr pohybu nebo umístění něčeho, co se týče zemského povrchu. Takže v konkrétním případě se na povrchu země nebo v jeho blízkosti projevují gravitační síly, které navzájem přitahují předměty, které mají hmotu, projevující se jejich působení na jakýchkoli malých nebo velmi velkých vzdálenostech, dokonce i podle kosmických standardů.

Gravity a Newtonův třetí zákon

Jak je dobře známo, každá síla, je-li považována za míru interakce fyzických těl, je vždy aplikována na jakoukoli z nich. Takže v gravitační interakci těl s každým jiným, každý z nich zažívá takové druhy gravitačních sil, které jsou způsobeny vlivem každého z nich. Pokud existují pouze dvě těla (předpokládá se, že jednání ostatních může být zanedbáváno), pak každý z nich podle třetího Newtonova zákona přiláká další tělo se stejnou silou. Takže Měsíc a Země se navzájem přitahují, což vede k odlivu a toku zemských moří.

Každá planeta ve sluneční soustavě zažívá několik atraktivních sil ze Slunce a jiných planet. Samozřejmě je to síla přitažlivosti Slunce, která určuje tvar a velikost její oběžné dráhy, ale astronomové také berou v úvahu vliv ostatních nebeských těles na jejich trajektorii jejich pohybu.

Co rychle padá na zem z výšky?

Hlavním rysem této síly je, že všechny objekty spadnou na zem jednou rychlostí bez ohledu na jejich hmotnost. Jednou, až do 16. století, bylo věřeno, že opak je pravdou - těžší těla by měly padat rychleji než lehké. Chcete-li rozptýlit tuto mylnou představu, Galileo Galileo musel provést svou slavnou zkušenost s tím, že současně upustil dvě dělové koule různé hmotnosti z nakloněné šikmé věže v Pise. Na rozdíl od očekávání svědků pokusu obě jádra dosáhly současně povrchu. Dnes každý žák vědí, že se to stalo kvůli skutečnosti, že síla gravitace sděluje stejné akceleraci jakémukoli tělu. volný pád g = 9,81 m / s ² bez ohledu na hmotnost m tohoto těla a jeho hodnota podle druhého zákona Newtonu je F = mg.

Gravitační síly na Měsíci a na jiných planetách mají různé významy tohoto zrychlení. Nicméně povaha působení gravitace na ně je stejná.

Gravitace a tělesná hmotnost

Pokud je první síla aplikována přímo na samotné tělo, pak druhá na jeho oporu nebo závěs. V této situaci působí elastické síly na těle vždy ze strany podpěrů a závěsů. Gravitační síly aplikované na tytéž těla se k nim chovají.

Představte si zátěž zavěšená nad zemí na pružině. Na ni jsou aplikovány dvě síly: elastická síla napínané pružiny a síla gravitace. Podle třetího zákona Newtonu působí zatížení na pružinu se sílou, která je stejná a opačná k síle pružnosti. Tato síla bude jeho váha. Pro hmotnost 1 kg je hmotnost P = 1 kg ∙ 9,81 m / s ² = 9,81 N (newton).

Gravitační síly: definice

První kvantitativní teorie gravitace, založená na pozorování pohybu planet, byla formulována Isaacem Newtonem v roce 1687 v jeho slavném "Počátkem přírodní filozofie". Napsal, že síly přitažlivosti, které působí na slunce a planety, závisí na množství hmoty, kterou obsahují. Jsou rozkládá se na velké vzdálenosti a vždy se snižuje jako inverzní čtverec vzdálenosti. Jak lze tyto gravitační síly vypočítat? Vzorec pro sílu F mezi dvěma objekty s hmotami m ₁ a m ₂ umístěnými ve vzdálenosti r je následující:

• F = Gm ₁ m ₂ / r ² ,
  kde G je konstanta proporcionality, gravitační konstanta.

Mechanismus fyzické gravitace

Newton nebyl s jeho teorií zcela spokojen, protože předpokládal vzájemnou souvislost mezi přitahováním těla z dálky. Velký anglický sám byl přesvědčen, že musí existovat nějaký fyzický zástupce odpovědný za přenášení jednání jednoho těla na druhé, což zcela jednoznačně vyjádřil v jednom z jeho dopisů. Ale čas, kdy byl představen koncept gravitačního pole, který proniká celým vesmírem, přišel až po čtyřech stoletích. Dnes, když mluvíme o gravitaci, můžeme mluvit o interakci jakéhokoli (kosmického) těla s gravitačním polem jiných těles, jehož mírou jsou gravitační síly vznikající mezi každou dvojicí těl. Zákon světa, formulovaný Newtonem ve výše uvedené podobě, zůstává pravdivý a je potvrzen mnoha skutečnostmi.

Teorie gravitace a astronomie

Byl velmi úspěšně použit při řešení problémů nebeské mechaniky během XVIII. A počátku 19. století. Například matematici D. Adams a U. Le Verrier, kteří analyzovali porušování oběžné dráhy Uranu, naznačili, že na ni působí gravitační síly interakce s dosud neznámou planetou. Uvedli svou zamýšlenou pozici a brzy objevil Neptun astronom I. Galle.

Přestože byl problém. Le Verrier v roce 1845 vypočítal, že oběžná dráha Merkura přecesuje na 35 "za století, na rozdíl od nulové hodnoty této precese získané podle Newtonovy teorie. Následná měření poskytla přesnější hodnotu 43 ". (Pozorovaná precese je skutečně 570 "/ století, ale obtížný výpočet, který umožňuje odečíst vliv od všech ostatních planet, dává hodnotu 43" ").

Teprve v roce 1915 Albert Einstein vysvětlil tuto nesrovnalost v rámci teorie gravitace, kterou vytvořil. Ukázalo se, že masivní Slunce, stejně jako jakékoliv jiné masivní tělo, se v jeho okolí ohýbá časoprostor. Tyto účinky způsobují odchylky v oběžných dráhách planet, ale v Merkuru, jako nejmenší a nejbližší planetě naší hvězdy, se projevují nejsilněji.

Inerciální a gravitační hmoty

Jak bylo uvedeno výše, Galileo jako první pozoroval, že objekty padnou na zem stejnou rychlostí, bez ohledu na jejich hmotnost. V Newtonových vzorcích pojem hmoty pochází ze dvou různých rovnic. Jeho druhý zákon říká, že síla F aplikovaná na tělo s hmotností m dává zrychlení podle rovnice F = ma.

Síla gravitace F aplikovaná na tělo však splňuje vzorec F = mg, kde g závisí na tom, že druhé tělo interaguje s předmětem (země obvykle, když mluvíme o gravitaci). V obou rovnicích m je koeficient proporcionality, avšak v prvním případě jde o inerciální hmotu a ve druhé o gravitační a neexistuje zřejmý důvod, proč by měly být stejné pro každý fyzický objekt.

Všechny experimenty však ukazují, že je to pravda.

Einsteinova teorie gravitace

On vzal skutečnost rovnosti inerciálních a gravitačních hmot jako východisko pro jeho teorii. Podařilo se mu postavit rovnice gravitačního pole, slavné Einsteinovy ​​rovnice a s jejich pomocí vypočítat správnou hodnotu pro precese orbity Merkuru. Dávají také naměřené odchylky světelných paprsků, které procházejí blízko slunce, a není pochyb o tom, že z nich vyplývá správné výsledky makroskopické gravitace. Einsteinova teorie gravitace, nebo obecná teorie relativity (GTR), jak sám nazval, je jedním z největších triumfů moderní vědy.

Gravitační síly - je zrychlení?

Pokud nedokážete rozlišit inerciální hmotu od gravitační hmoty, nemůžete rozlišovat mezi gravitací a zrychlením. Experiment v gravitačním poli může být místo toho proveden v zrychleném výtahu v nepřítomnosti gravitace. Když kosmonaut v raketě zrychlí a odchází ze země, zažije gravitace, která je několikanásobně větší než Země, a převážná část pochází z akcelerace.

Pokud nikdo nerozlišuje gravitaci od zrychlení, pak první může být vždy reprodukován zrychlením. Systém, ve kterém zrychlení nahrazuje gravitaci, se nazývá inertial. Proto může být měsíc na oběžné dráze Země považován za inerciální systém. Tento systém se však bude lišit od bodu k bodu, protože se změní gravitační pole. (V příkladu Měsíce se gravitační pole mění směr od jednoho bodu k druhému.) Zásada, že inerciální systém může být vždy nalezen v jakémkoli bodě prostoru a času, ve kterém se fyzikum řídí zákony v nepřítomnosti gravitace, se nazývá princip rovnocennosti.

Gravitace jako projev geometrických vlastností prostoru a času

Skutečnost, že gravitační síly lze považovat za zrychlení v souřadnicových systémech inerciálních souřadnic, které se liší od bodu k bodu, znamená, že gravitace je geometrická koncepce.

Říkáme, že prostor-čas je ohnutý. Zvažte míč na rovném povrchu. Bude odpočívat, nebo pokud nebude tření, pohybujte se rovnoměrně, aniž by na něm působil nijak silou. Pokud se povrch ohýbá, míč se urychlí a přejde k nejnižšímu bodu a zvolí nejkratší cestu. Podobně Einsteinova teorie uvádí, že čtyřrozměrný prostorový čas je zakřivený a tělo se pohybuje v tomto zakřiveném prostoru podél geodetické čáry, která odpovídá nejkratší cestě. Proto gravitační pole a gravitační síly působící na fyzické těla v něm jsou geometrické veličiny, které závisí na vlastnostech časoprostoru, které se nejvíce mění v masivní těleso.