DEFINICE
Zákon univerzální gravitace objevil I. Newton:
Dvě tělesa se navzájem přitahují , přímo úměrné jejich součinu a nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi:
Koeficient je gravitační konstanta. V soustavě SI má gravitační konstanta význam:
Tato konstanta, jak je vidět, je velmi malá, proto jsou také gravitační síly mezi tělesy o malých hmotnostech malé a prakticky je nepociťujeme. Pohyb vesmírných těles je však zcela dán gravitací. Přítomnost univerzální gravitace nebo jinými slovy gravitační interakce vysvětluje, čím jsou Země a planety „podporovány“ a proč se pohybují kolem Slunce po určitých trajektoriích a neodlétají od něj. Zákon univerzální gravitace nám umožňuje určit mnoho charakteristik nebeských těles – hmotnosti planet, hvězd, galaxií a dokonce i černých děr. Tento zákon umožňuje s velkou přesností vypočítat oběžné dráhy planet a vytvořit matematický model Vesmíru.
Pomocí zákona univerzální gravitace lze vypočítat i kosmické rychlosti. Například minimální rychlost, kterou těleso pohybující se vodorovně nad povrchem Země na ni nespadne, ale bude se pohybovat po kruhové dráze, je 7,9 km/s (první úniková rychlost). Aby bylo možné Zemi opustit, tzn. k překonání své gravitační přitažlivosti musí mít těleso rychlost 11,2 km/s (druhá úniková rychlost).
Gravitace je jedním z nejúžasnějších přírodních jevů. Bez gravitačních sil by existence Vesmíru nemohla ani vzniknout. Gravitace je zodpovědná za mnoho procesů ve Vesmíru – jeho zrod, existenci řádu místo chaosu. Povaha gravitace není stále plně pochopena. Až dosud se nikomu nepodařilo vyvinout slušný mechanismus a model gravitační interakce.
Zvláštním případem projevu gravitačních sil je gravitační síla.
Gravitace je vždy směrována svisle dolů (směrem ke středu Země).
Působí-li na těleso gravitační síla, pak těleso působí . Typ pohybu závisí na směru a velikosti počáteční rychlosti.
S účinky gravitace se setkáváme každý den. , po chvíli se ocitne na zemi. Kniha, uvolněná z rukou, spadne. Po skoku člověk neletí do vesmíru, ale padá na zem.
Uvážíme-li volný pád tělesa v blízkosti zemského povrchu v důsledku gravitační interakce tohoto tělesa se Zemí, můžeme napsat:
odkud pochází zrychlení volného pádu:
Tíhové zrychlení nezávisí na hmotnosti tělesa, ale závisí na výšce tělesa nad Zemí. Zeměkoule je na pólech mírně zploštělá, takže tělesa umístěná v blízkosti pólů se nacházejí o něco blíže středu Země. V tomto ohledu gravitační zrychlení závisí na zeměpisné šířce oblasti: na pólu je o něco větší než na rovníku a jiných zeměpisných šířkách (na rovníku m/s, na rovníku na severním pólu m/s.
Stejný vzorec vám umožňuje najít gravitační zrychlení na povrchu jakékoli planety s hmotností a poloměrem.
PŘÍKLAD 1 (problém s „vážením“ Země)
| Cvičení | Poloměr Země je km, gravitační zrychlení na povrchu planety m/s. Pomocí těchto dat odhadněte přibližně hmotnost Země. |
| Řešení | Gravitační zrychlení na povrchu Země: odkud pochází hmotnost Země: V systému C poloměr Země Dosazením číselných hodnot fyzikálních veličin do vzorce odhadneme hmotnost Země:
|
| Odpověď | Hmotnost Země kg. |
PŘÍKLAD 2
| Cvičení | Satelit Země se pohybuje po kruhové dráze ve výšce 1000 km od povrchu Země. Jakou rychlostí se satelit pohybuje? Jak dlouho bude satelitu trvat, než dokončí jednu otáčku kolem Země? |
| Řešení | Podle , síla působící na družici ze Země se rovná součinu hmotnosti družice a zrychlení, se kterým se pohybuje:
Na satelit působí ze strany Země gravitační přitažlivá síla, která se podle zákona univerzální gravitace rovná: kde a jsou hmotnosti satelitu a Země. Vzhledem k tomu, že satelit je v určité výšce nad povrchem Země, vzdálenost od něj do středu Země je: kde je poloměr Země. |
Gravitační síla je síla, kterou se k sobě přitahují tělesa o určité hmotnosti nacházející se v určité vzdálenosti od sebe.
Anglický vědec Isaac Newton objevil v roce 1867 zákon univerzální gravitace. To je jeden ze základních zákonů mechaniky. Podstata tohoto zákona je následující:jakékoliv dvě hmotné částice jsou k sobě přitahovány silou přímo úměrnou součinu jejich hmotností a nepřímo úměrnou druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi.
Gravitační síla je první silou, kterou člověk pocítil. To je síla, kterou Země působí na všechna tělesa umístěná na jejím povrchu. A každý člověk cítí tuto sílu jako svou vlastní váhu.
Existuje legenda, že Newton objevil zákon univerzální gravitace zcela náhodou, když se večer procházel na zahradě svých rodičů. Kreativní lidé neustále hledají a vědecké objevy nejsou okamžitým vhledem, ale plodem dlouhodobé duševní práce. Newton seděl pod jabloní a přemýšlel o jiném nápadu a najednou mu na hlavu spadlo jablko. Newton pochopil, že jablko spadlo v důsledku zemské gravitační síly. „Ale proč Měsíc nespadne na Zemi? - pomyslel si. "To znamená, že na něj působí nějaká jiná síla, která ho udržuje na oběžné dráze." Takhle slavní zákon univerzální gravitace.
Vědci, kteří dříve studovali rotaci nebeských těles, věřili, že nebeská tělesa se řídí některými zcela odlišnými zákony. To znamená, že se předpokládalo, že na povrchu Země a ve vesmíru existují zcela odlišné zákony gravitace.
Newton spojil tyto navrhované typy gravitace. Analýzou Keplerovy zákony popisující pohyb planet došel k závěru, že přitažlivá síla vzniká mezi jakýmikoli tělesy. To znamená, že jak na jablko, které spadlo v zahradě, tak na planety ve vesmíru působí síly, které se řídí stejným zákonem – zákonem univerzální gravitace.
Newton zjistil, že Keplerovy zákony platí pouze v případě, že mezi planetami existuje přitažlivá síla. A tato síla je přímo úměrná hmotnostem planet a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi.
Přitažlivá síla se vypočítá podle vzorce F=G m 1 m 2 / r 2
m 1 – hmotnost prvního tělesa;
m 2– hmotnost druhého tělesa;
r – vzdálenost mezi tělesy;
G – koeficient proporcionality, který je tzv gravitační konstanta nebo konstanta univerzální gravitace.
Jeho hodnota byla stanovena experimentálně. G= 6,6710-11 Nm2/kg2
Pokud jsou dva hmotné body s hmotností rovnou jednotkové hmotnosti umístěny ve vzdálenosti rovné jednotkové vzdálenosti, pak se přitahují silou rovnou G.
Přitažlivé síly jsou gravitační síly. Jsou také tzv gravitační síly. Podléhají zákonu univerzální gravitace a objevují se všude, protože všechna tělesa mají hmotnost.
Gravitační síla v blízkosti zemského povrchu je síla, kterou jsou všechna tělesa přitahována k Zemi. Říkají jí gravitace. Za konstantní se považuje, pokud je vzdálenost tělesa od povrchu Země malá ve srovnání s poloměrem Země.
Protože gravitace, což je gravitační síla, závisí na hmotnosti a poloměru planety, bude se na různých planetách lišit. Protože poloměr Měsíce je menší než poloměr Země, je gravitační síla na Měsíci 6krát menší než na Zemi. Na Jupiteru je naopak gravitační síla 2,4krát větší než gravitační síla na Zemi. Ale tělesná hmotnost zůstává konstantní, bez ohledu na to, kde se měří.
Mnoho lidí si zaměňuje význam hmotnosti a gravitace a věří, že gravitace se vždy rovná hmotnosti. Ale to není pravda.
Síla, kterou tělo tlačí na podpěru nebo natahuje závěs, je hmotnost. Pokud odstraníte podpěru nebo zavěšení, tělo začne padat se zrychlením volného pádu pod vlivem gravitace. Gravitační síla je úměrná hmotnosti tělesa. Vypočítá se podle vzorceF= m G , Kde m- tělesná hmotnost, g – gravitační zrychlení.
Tělesná hmotnost se může změnit a někdy úplně zmizet. Představme si, že jsme ve výtahu v nejvyšším patře. Výtah stojí za to. V tuto chvíli se naše hmotnost P a gravitační síla F, kterou nás Země přitahuje, rovnají. Ale jakmile se výtah začal pohybovat dolů se zrychlením A , hmotnost a gravitace již nejsou stejné. Podle druhého Newtonova zákonamg+ P = ma. Р = m g -ma.
Ze vzorce je patrné, že s pohybem dolů naše váha klesala.
Ve chvíli, kdy výtah nabral rychlost a začal se pohybovat bez zrychlení, se naše váha opět rovná gravitaci. A když výtah začal zpomalovat, zrychlení A byly negativní a váha se zvýšila. Nastává přetížení.
A pokud se tělo pohybuje dolů se zrychlením volného pádu, pak se váha úplně vynuluje.
Na A=G R= mg-ma= mg - mg=0
Toto je stav beztíže.
Takže bez výjimky všechna hmotná těla ve vesmíru dodržují zákon univerzální gravitace. A planety kolem Slunce a všechna tělesa nacházející se poblíž povrchu Země.
Gravitační síly jsou jedním ze čtyř hlavních typů sil, které se projevují v celé své rozmanitosti mezi různými tělesy na Zemi i mimo ni. Kromě nich rozlišují ještě elektromagnetické, slabé a jaderné (silné). Je to pravděpodobně jejich existence, kterou si lidstvo jako první uvědomilo. Ze strany Země byl znám již od starověku. Uplynula však staletí, než si lidé uvědomili, že k interakci tohoto druhu nedochází pouze mezi Zemí a jakýmkoli tělesem, ale také mezi různými objekty. První, kdo pochopil, jak fungují, byl anglický fyzik I. Newton. Byl to on, kdo vynesl dnes již dobře známé
Vzorec pro gravitační sílu
Newton se rozhodl analyzovat zákony, podle kterých se planety pohybují v systému. Díky tomu dospěl k závěru, že rotace nebeských těles kolem Slunce je možná pouze tehdy, působí-li mezi ním a samotnými planetami gravitační síly. Vědec si uvědomil, že nebeská tělesa se liší od ostatních objektů pouze svou velikostí a hmotností, odvodil následující vzorec:
F = f x (m 1 x m 2) / r 2, kde:
Lze tedy tvrdit, že jakékoli dva objekty se k sobě přitahují. Práce vykonaná gravitační silou je přímo úměrná co do velikosti hmotností těchto těles a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi nimi na druhou.
Vlastnosti použití vzorce
Na první pohled se zdá, že použití matematického popisu zákona přitažlivosti je celkem jednoduché. Pokud se však zamyslíte, tento vzorec má smysl pouze pro dvě hmoty, jejichž velikosti jsou zanedbatelně malé ve srovnání se vzdáleností mezi nimi. A to natolik, že je lze zaměnit za dva body. Co ale dělat, když je vzdálenost srovnatelná s velikostí těles a ta sama mají nepravidelný tvar? Rozdělit je na části, určit gravitační síly mezi nimi a vypočítat výslednici? Pokud ano, kolik bodů je třeba vzít pro výpočet? Jak vidíte, ne všechno je tak jednoduché.
A pokud vezmeme v úvahu (z hlediska matematiky), že bod nemá žádné rozměry, pak se tato situace jeví jako zcela beznadějná. Naštěstí vědci přišli na způsob, jak v tomto případě provést výpočty. Používají integrální aparát a podstatou metody je, že objekt je rozdělen na nekonečné množství malých krychlí, jejichž hmoty jsou soustředěny ve svých středech. Poté se sestaví vzorec pro zjištění výsledné síly a použije se omezující přechod, pomocí kterého se objem každého základního prvku sníží na bod (nulu) a počet takových prvků se řítí do nekonečna. Díky této technice bylo možné získat některé důležité závěry.
Od pradávna lidstvo přemýšlelo o tom, jak funguje svět kolem nás. Proč roste tráva, proč svítí Slunce, proč nemůžeme létat... To druhé mimochodem vždy lidi zvlášť zajímalo. Nyní víme, že gravitace je důvodem všeho. Co to je a proč je tento jev tak důležitý v měřítku vesmíru, dnes zvážíme.
Vědci zjistili, že všechna masivní tělesa se vzájemně přitahují. Následně se ukázalo, že tato tajemná síla určuje i pohyb nebeských těles na jejich konstantních drahách. Samotnou teorii gravitace formuloval génius, jehož hypotézy předurčily vývoj fyziky na dlouhá staletí dopředu. Albert Einstein, jeden z největších mozků minulého století, toto učení rozvinul a pokračoval (byť úplně jiným směrem).
Po staletí vědci pozorovali gravitaci a snažili se ji pochopit a změřit. Konečně, v posledních několika desetiletích byl lidstvu (samozřejmě v určitém smyslu) dán do služeb i takový fenomén, jako je gravitace. Co to je, jaká je definice daného termínu v moderní vědě?
Pokud budete studovat díla starověkých myslitelů, zjistíte, že latinské slovo „gravitas“ znamená „gravitace“, „přitažlivost“. Dnes tomu vědci říkají univerzální a neustálá interakce mezi hmotnými těly. Pokud je tato síla relativně slabá a působí pouze na předměty, které se pohybují mnohem pomaleji, pak je na ně aplikovatelná Newtonova teorie. Pokud je situace opačná, měly by být použity Einsteinovy závěry.
Udělejme hned výhradu: v současné době není samotná povaha gravitace v principu plně pochopena. Stále úplně nerozumíme tomu, co to je.
Podle klasického učení Isaaca Newtona se všechna tělesa navzájem přitahují silou přímo úměrnou jejich hmotnosti, nepřímo úměrnou druhé mocnině vzdálenosti, která mezi nimi leží. Einstein tvrdil, že gravitace mezi objekty se projevuje v případě zakřivení prostoru a času (a zakřivení prostoru je možné pouze tehdy, pokud je v něm hmota).
Tato myšlenka byla velmi hluboká, ale moderní výzkumy dokazují, že je poněkud nepřesná. Dnes se věří, že gravitace ve vesmíru pouze ohýbá prostor: čas lze zpomalit a dokonce zastavit, ale realita změny tvaru dočasné hmoty nebyla teoreticky potvrzena. Proto Einsteinova klasická rovnice ani neposkytuje šanci, že prostor bude i nadále ovlivňovat hmotu a výsledné magnetické pole.
Nejznámější je gravitační zákon (univerzální gravitace), jehož matematické vyjádření patří právě Newtonovi:
\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]
γ označuje gravitační konstantu (někdy se používá symbol G), jejíž hodnota je 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²).
Neuvěřitelná složitost prostoru kolem nás je z velké části dána nekonečným množstvím elementárních částic. Dochází mezi nimi i k různým interakcím na úrovních, které můžeme jen tušit. Všechny typy interakce mezi elementárními částicemi se však výrazně liší svou silou.
Nejmocnější nám známé síly spojují složky atomového jádra. Chcete-li je oddělit, musíte vynaložit skutečně kolosální množství energie. Pokud jde o elektrony, ty jsou k jádru „přichyceny“ pouze obyčejnými, aby to zastavily, někdy stačí energie, která se objeví jako výsledek nejběžnější chemické reakce. Gravitace (už víte, co to je) ve formě atomů a subatomárních částic je nejjednodušší typ interakce.
Gravitační pole je v tomto případě tak slabé, že si jej lze jen těžko představit. Kupodivu právě oni „monitorují“ pohyb nebeských těles, jejichž hmotnost si někdy nelze představit. To vše je možné díky dvěma vlastnostem gravitace, které jsou zvláště výrazné v případě velkých fyzických těl:
Ke vzniku víceméně koherentní teorie gravitace došlo poměrně nedávno a přesně na základě výsledků staletých pozorování pohybu planet a jiných nebeských těles. Úkol značně usnadnil fakt, že se všechny pohybují ve vzduchoprázdnu, kde prostě žádné další pravděpodobné interakce nejsou. Galileo a Kepler, dva vynikající astronomové té doby, pomohli připravit půdu pro nové objevy svými nejcennějšími pozorováními.
Ale teprve velký Isaac Newton byl schopen vytvořit první teorii gravitace a vyjádřit ji matematicky. Toto byl první gravitační zákon, jehož matematické vyjádření je uvedeno výše.
Na rozdíl od jiných fyzikálních jevů, které existují ve světě kolem nás, se gravitace projevuje vždy a všude. Musíte pochopit, že termín „nulová gravitace“, který se často vyskytuje v pseudovědeckých kruzích, je extrémně nesprávný: dokonce i stav beztíže ve vesmíru neznamená, že člověk nebo vesmírná loď nejsou ovlivněni gravitací nějakého masivního objektu.
Kromě toho mají všechna hmotná tělesa určitou hmotnost, vyjádřenou ve formě síly, která na ně působila, a zrychlení získaného tímto vlivem.
Gravitační síly jsou tedy úměrné hmotnosti objektů. Lze je číselně vyjádřit získáním součinu hmotností obou uvažovaných těles. Tato síla se přísně řídí inverzním vztahem k druhé mocnině vzdálenosti mezi objekty. Všechny ostatní interakce závisí zcela odlišně na vzdálenostech mezi dvěma tělesy.
Hmota objektů se stala zvláštním bodem sváru, na kterém je postavena celá Einsteinova moderní teorie gravitace a relativity. Pokud si vzpomínáte na Druhou, pravděpodobně víte, že hmotnost je povinnou charakteristikou každého fyzického hmotného těla. Ukazuje, jak se objekt bude chovat, pokud na něj bude působit síla, bez ohledu na jeho původ.
Protože všechna tělesa (podle Newtona) zrychlují působením vnější síly, je to právě hmotnost, která určuje, jak velké toto zrychlení bude. Podívejme se na srozumitelnější příklad. Představte si skútr a autobus: pokud na ně působíte přesně stejnou silou, dosáhnou v různých časech různé rychlosti. To vše vysvětluje teorie gravitace.
Pokud mluvíme o gravitaci, pak hmotnost v tomto jevu hraje roli zcela opačnou, než jakou hraje ve vztahu k síle a zrychlení objektu. Právě ona je primárním zdrojem samotné přitažlivosti. Pokud vezmete dvě těla a podíváte se na sílu, kterou přitahují třetí objekt, který je umístěn ve stejné vzdálenosti od prvních dvou, pak se poměr všech sil bude rovnat poměru hmotností prvních dvou objektů. Gravitační síla je tedy přímo úměrná hmotnosti tělesa.
Pokud vezmeme v úvahu třetí Newtonův zákon, můžeme vidět, že říká přesně totéž. Gravitační síla, která působí na dvě tělesa umístěná ve stejné vzdálenosti od zdroje přitažlivosti, přímo závisí na hmotnosti těchto objektů. V běžném životě mluvíme o síle, kterou je těleso přitahováno k povrchu planety, jako o jeho hmotnosti.
Pojďme si shrnout některé výsledky. Hmotnost tedy úzce souvisí se zrychlením. Je to přitom ona, kdo určuje sílu, jakou bude na těleso působit gravitace.
Tato úžasná dualita je důvodem, že ve stejném gravitačním poli bude zrychlení zcela odlišných objektů stejné. Předpokládejme, že máme dvě těla. Jednomu z nich přiřaďme hmotnost z a druhému hmotnost Z Oba objekty spadnou na zem, kde volně padnou.
Jak se určuje poměr přitažlivých sil? Ukazuje to nejjednodušší matematický vzorec - z/Z. Ale zrychlení, které obdrží v důsledku gravitační síly, bude naprosto stejné. Jednoduše řečeno, zrychlení, které má těleso v gravitačním poli, nijak nezávisí na jeho vlastnostech.
Záleží pouze (!) na hmotnosti objektů, které toto pole vytvářejí, a také na jejich prostorové poloze. Dvojí role hmoty a stejného zrychlení různých těles v gravitačním poli byla objevena poměrně dlouho. Tyto jevy dostaly následující název: „Princip ekvivalence“. Tento termín opět zdůrazňuje, že zrychlení a setrvačnost jsou často ekvivalentní (samozřejmě do určité míry).
Ze školního kurzu fyziky si pamatujeme, že gravitační zrychlení na povrchu naší planety (gravitace Země) se rovná 10 m/s.² (samozřejmě 9,8, ale tato hodnota se používá pro zjednodušení výpočtů). Pokud tedy neberete v úvahu odpor vzduchu (ve značné výšce s krátkou vzdáleností pádu), dosáhnete efektu, když tělo získá přírůstek zrychlení 10 m/s. každou vteřinu. Takže kniha, která spadla z druhého patra domu, se na konci svého letu bude pohybovat rychlostí 30-40 m/s. Jednoduše řečeno, 10 m/s je „rychlost“ gravitace na Zemi.
Gravitační zrychlení se ve fyzikální literatuře označuje písmenem „g“. Vzhledem k tomu, že tvar Země připomíná do jisté míry spíše mandarinku než kouli, není hodnota této veličiny ve všech jejích oblastech stejná. Na pólech je tedy zrychlení vyšší a na vrcholcích vysokých hor menší.
I v těžebním průmyslu hraje gravitace důležitou roli. Fyzika tohoto jevu může někdy ušetřit spoustu času. Geologové se tedy zajímají zejména o dokonale přesné určení g, protože to jim umožňuje prozkoumat a lokalizovat ložiska nerostů s výjimečnou přesností. Mimochodem, jak vypadá gravitační vzorec, ve kterém hraje důležitou roli námi uvažovaná veličina? Tady to je:
Věnovat pozornost! V tomto případě gravitační vzorec znamená G „gravitační konstantu“, jejíž význam jsme již uvedli výše.
Svého času Newton formuloval výše uvedené principy. Dokonale rozuměl jednotě i univerzálnosti, ale nedokázal popsat všechny aspekty tohoto fenoménu. Tato čest připadla Albertu Einsteinovi, který také dokázal vysvětlit princip ekvivalence. Právě jemu lidstvo vděčí za moderní chápání samotné podstaty časoprostorového kontinua.
V době Isaaca Newtona se věřilo, že referenční body mohou být reprezentovány ve formě jakýchsi tuhých „tyček“, s jejichž pomocí se určuje poloha těla v prostorovém souřadnicovém systému. Zároveň se předpokládalo, že všichni pozorovatelé, kteří označí tyto souřadnice, budou ve stejném časoprostoru. V těchto letech bylo toto ustanovení považováno za tak samozřejmé, že nebyly učiněny žádné pokusy jej zpochybnit nebo doplnit. A to je pochopitelné, protože v rámci hranic naší planety neexistují žádné odchylky v tomto pravidle.
Einstein dokázal, že na přesnosti měření by opravdu záleželo, kdyby se hypotetické hodiny pohybovaly výrazně pomaleji než rychlost světla. Jednoduše řečeno, pokud jeden pozorovatel, pohybující se pomaleji než rychlost světla, sleduje dvě události, pak se mu stanou současně. Podle toho pro druhého pozorovatele? jejichž rychlost je stejná nebo větší, mohou události nastat v různých časech.
Jak ale gravitace souvisí s teorií relativity? Podívejme se na tuto otázku podrobně.
V posledních letech bylo učiněno obrovské množství objevů v oblasti subatomárních částic. Stále sílí přesvědčení, že se chystáme najít poslední částici, za kterou se náš svět nemůže rozdělit. O to naléhavější se stává potřeba zjistit, jak přesně jsou nejmenší „stavební kameny“ našeho vesmíru ovlivněny těmi základními silami, které byly objeveny v minulém století nebo ještě dříve. Zklamáním je zejména to, že samotná podstata gravitace nebyla dosud vysvětlena.
Proto se po Einsteinovi, který prokázal „neschopnost“ Newtonovy klasické mechaniky v uvažované oblasti, výzkumníci zaměřili na úplné přehodnocení dříve získaných dat. Samotná gravitace prošla velkou revizí. Co je to na úrovni subatomárních částic? Má to nějaký význam v tomto úžasném multidimenzionálním světě?
Zpočátku mnozí předpokládali, že rozpor mezi Newtonovou gravitací a teorií relativity lze vysvětlit docela jednoduše pomocí analogií z oblasti elektrodynamiky. Dalo by se předpokládat, že gravitační pole se šíří jako magnetické pole, po kterém může být prohlášeno za „prostředníka“ v interakcích nebeských těles, což vysvětluje mnoho nesrovnalostí mezi starou a novou teorií. Faktem je, že pak by relativní rychlosti šíření dotyčných sil byly výrazně nižší než rychlost světla. Jak tedy souvisí gravitace a čas?
Einsteinovi se v zásadě téměř podařilo zkonstruovat relativistickou teorii založenou právě na takových názorech, ale jeho záměru zabránila pouze jedna okolnost. Žádný z vědců té doby neměl vůbec žádné informace, které by mohly pomoci určit „rychlost“ gravitace. Ale bylo tam mnoho informací souvisejících s pohyby velkých mas. Jak známo, byly právě ony obecně přijímaným zdrojem vzniku silných gravitačních polí.
Vysoké rychlosti velmi ovlivňují hmotnosti těles, a to se v žádném případě nepodobá interakci rychlosti a náboje. Čím vyšší rychlost, tím větší tělesná hmotnost. Problém je v tom, že druhá hodnota by se automaticky stala nekonečnou, pokud by se pohybovala rychlostí světla nebo rychleji. Proto Einstein došel k závěru, že neexistuje gravitační pole, ale tenzorové pole, k popisu kterých mnohem více proměnných by se mělo použít.
Jeho následovníci došli k závěru, že gravitace a čas spolu prakticky nesouvisí. Faktem je, že toto tenzorové pole samo může působit na prostor, ale není schopno ovlivnit čas. Geniální moderní fyzik Stephen Hawking má však jiný úhel pohledu. Ale to je úplně jiný příběh...
V přírodě jsou známy pouze čtyři hlavní základní síly (také se jim říká hlavní interakce) - gravitační interakce, elektromagnetická interakce, silná interakce a slabá interakce.
Gravitační interakce je nejslabší ze všech.Gravitační sílyspojují části zeměkoule dohromady a stejná interakce určuje rozsáhlé události ve vesmíru.
Elektromagnetická interakce drží elektrony v atomech a váže atomy do molekul. Zvláštním projevem těchto sil jeCoulombovské síly, působící mezi stacionárními elektrickými náboji.
Silná interakce váže nukleony v jádrech. Tato interakce je nejsilnější, ale působí pouze na velmi krátké vzdálenosti.
Slabá interakce působí mezi elementárními částicemi a má velmi krátký dosah. Vyskytuje se během beta rozpadu.
Mezi dvěma hmotnými body existuje síla vzájemné přitažlivosti, přímo úměrná součinu hmotností těchto bodů ( m A M ) a nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi ( r 2 ) a vedeny podél přímky procházející interagujícími tělesyF= (GmM/r 2) r Ó ,(1)
Zde r Ó - jednotkový vektor nakreslený ve směru síly F(obr. 1a).
Tato síla se nazývá gravitační síla(nebo síla univerzální gravitace). Gravitační síly jsou vždy přitažlivé síly. Síla vzájemného působení mezi dvěma tělesy nezávisí na prostředí, ve kterém se tělesa nacházejí.
G 1 G 2
Obr.1a Obr.1b Obr.1c
Konstanta G se nazývá gravitační konstanta. Jeho hodnota byla stanovena experimentálně: G = 6,6720. 10 -11 N. m 2 / kg 2 - tzn. dvě bodová tělesa o hmotnosti 1 kg, umístěná ve vzdálenosti 1 m od sebe, jsou přitahována silou 6,6720. 10 -11 N. Velmi malá hodnota G právě umožňuje hovořit o slabosti gravitačních sil - je třeba je brát v úvahu pouze v případě velkých hmotností.
Hmoty zahrnuté v rovnici (1) se nazývají gravitační hmoty. To zdůrazňuje, že v zásadě masy zahrnuté v druhém Newtonově zákoně ( F= jsem v A) a zákon univerzální gravitace ( F=(Gm gr M gr /r 2) r Ó), mají jinou povahu. Bylo však zjištěno, že poměr m gr / mv pro všechna tělesa je stejný s relativní chybou až 10 -10.
To je věřil, že gravitační interakce se provádí pomocí gravitační pole (gravitační pole), který je generován samotnými těly. Jsou představeny dvě charakteristiky tohoto pole: vektor - a skalární - potenciál gravitačního pole.
Mějme hmotný bod o hmotnosti M. Předpokládá se, že kolem této hmoty vzniká gravitační pole. Silová charakteristika takového pole je síla gravitačního poleG, který je určen ze zákona univerzální gravitace G= (GM/r 2) r Ó ,(2)
Kde r Ó - jednotkový vektor nakreslený z hmotného bodu ve směru gravitační síly. Síla gravitačního pole Gje vektorová veličina a je to zrychlení získané hmotou bodu m, přiveden do gravitačního pole vytvořeného hmotou bodu M. Porovnáním (1) a (2) získáme pro případ rovnosti gravitačních a setrvačných hmot F=m G.
Zdůrazněme to velikost a směr zrychlení přijatého tělesem vneseným do gravitačního pole nezávisí na velikosti hmotnosti vneseného tělesa. Protože hlavním úkolem dynamiky je určit velikost zrychlení přijatého tělesem při působení vnějších sil, pak v důsledku toho, síla gravitačního pole zcela a jednoznačně určuje silové charakteristiky gravitačního pole. Závislost g(r) je znázorněna na obr. 2a.
Obr.2a Obr.2b Obr.2c
Pole se nazývá centrální, jestliže ve všech bodech pole jsou vektory intenzity nasměrovány podél přímek, které se protínají v jednom bodě, stacionární vzhledem k libovolné inerciální vztažné soustavě. Zejména, gravitační pole hmotného bodu je centrální: ve všech bodech pole vektory GA F=m G, působící na těleso přivedené do gravitačního pole směřují radiálně od hmoty M , vytvářející pole, k hmotě bodu m (obr. 1b).
Zákon univerzální gravitace ve tvaru (1) je stanoven pro tělesa braná jako hmotné body, tzn. pro taková tělesa, jejichž rozměry jsou malé ve srovnání se vzdáleností mezi nimi. Pokud nelze zanedbat velikosti těles, pak je třeba tělesa rozdělit na bodové prvky, přitažlivé síly mezi všemi prvky branými ve dvojicích vypočítat pomocí vzorce (1) a poté geometricky sečíst. Intenzita gravitačního pole systému sestávajícího z hmotných bodů o hmotnostech M 1, M 2, ..., M n je rovna součtu intenzit pole z každé z těchto hmot samostatně ( princip superpozice gravitačních polí ): G=G i, Kde G i= (GM i /r i 2) r o i - síla pole jedné hmoty M i.
Grafické znázornění gravitačního pole pomocí vektorů napětí G v různých bodech pole je velmi nepohodlné: pro systémy sestávající z mnoha hmotných bodů se vektory intenzity vzájemně překrývají a získá se velmi matoucí obraz. Proto pro grafické znázornění využití gravitačního pole siločáry (tahové čáry), které se provádějí tak, že vektor napětí směřuje tangenciálně k siločar. Tažné čáry jsou považovány za směrované stejným způsobem jako vektor G(obr. 1c), těch. siločáry končí v hmotném bodě. Protože v každém bodě v prostoru má vektor napětí pouze jeden směr, To linie napětí se nikdy nekříží. Pro hmotný bod jsou siločáry radiálními přímkami vstupujícími do bodu (obr. 1b).
Aby bylo možné použít čáry intenzity k charakterizaci nejen směru, ale také hodnoty intenzity pole, jsou tyto čáry nakresleny s určitou hustotou: počet čar intenzity prorážejících jednotkovou povrchovou plochu kolmo k čarám intenzity se musí rovnat absolutní hodnota vektoru G.
m
