Все тела вокруг нас притягиваются друг к другу, причем мы можем рассчитать силу, с которой это происходит. В общем-то, это и есть закон всемерного тяготения.
На этом можно было бы остановиться в его изучении, но таких знаний маловато. Особенно, когда речь идёт об одном из фундаментальных законов физики, который пронизывает нашу жизнь. Это только в школе кажется, что всё это бесполезная и очевидная информация.
Но почему существует гравитация, которая удерживает нас на планете - это работает закон всемирного тяготения. Планета притягивает нас, а мы, как бы это не было странно, притягиваем планету. Почему предметы не рассыпаются в руках, а материал может существовать в нашем пространстве? Потому что тоже работает закон тяготения. Частички в структуре любого материала притягиваются друг к другу. Атомы притягиваются к атомам. Всё это всемирное тяготение.
Всё в мире так или иначе притягивается, а наша вселенная такая, какая она есть благодаря существованию притяжения. Читающий эту статью человек притягивает свой телефон или компьютер, а компьютер притягивает этого человека. Вопрос только в силе, с которой это происходит. Если сила приличная, как сила притяжения нашего тела к земле, то мы её ощущаем и должны преодолевать. Если сила незначительная, то мы её даже не замечаем и эта сила не может превысить силу трения (или другие силы), чтобы притянуть материальный предмет. Очень важно тут осознать именно всеобъемлющую природу гравитационных взаимодействий.
Как был открыт закон всемирного тяготения
Непросвещённый читатель сейчас может сказать, что мол а чего там открывать-то. Бросили что-то на пол и оно упало, вот вам и открытие. Но мало кто понимает истинную сущность и глубину проблемы. Ещё и этот исторически фальсифицированный случай с Ньютоном и яблоком делает из закона не фундаментальный закон физики, а бред мужика в парике, которого подбило яблоком.
Яблоко и правда сыграло свою роль. Но не фундаментальную. Сэр Исаак Ньютон прогуливался в саду родителей и обратил внимание на луну, которая находилась в небе. До этого более 20 лет Ньютон размышлял о природе взаимодействия небесных тел. Одновременно с этим он заметил яблоко, которое падает на землю. Всё это сложилось у него в голове в единую картину и длительная работа получила логическое завершение. Он смог сформулировать закон тяготения в известной нам форме.
До этого момента уже существовали множества догадок о наличии факта притяжения тел. Ньютон сделал свои умозаключения, опираясь на законы Кеплера и поставил логическую точку. Все эти гипотезы строились далеко не на том, что бутерброд упал на пол, а исходили из характера движения планет. Наблюдая за орбитами и особенностями перемещения небесных тел, можно было сделать вывод, что не только яблоко падает на землю, но и все планеты связаны этой единой силой и везде есть гравитация.
Ньютон осмыслил все имеющиеся наработки великих ученых и предложил математическую запись закона. Причем, характерно, что изначально запись эта не содержала гравитационную постоянную.
Формулировка закона всемирного тяготения
В общем-то, мы уже сформулировали этот закон выше :) Все тела притягиваются друг к другу. Но благодаря работам Ньютона мы смогли сказать с какой силой. Поэтому, учебники формулируют закон так:
Сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками с массами m1 и m2, расстояние между которыми r, действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
То есть:
Где G = 6,67430(15)·10−11 м³/(кг·с²) - гравитационная постоянная. Как мы уже отметили выше, сам Ньютон не закладывал её в формулировку закона, однако последующие опыты показали, что без неё расчёт выходит неверным. Ньютон лишь предполагал, что такой коэффициент есть. Гравитационная постоянная была определена значительно позже, причем методики до сих пор вызывают ряд нареканий в научном сообществе.
Гравитационная постоянная определялась на крутильных весах и логика исходила из того, что мы можем измерить на точном приборе силу взаимодействия между двумя шарами, а потом можем рассчитать её теоретически. Разделив одно на другое, получим недостающий коэффициент. Кстати, изначально то пытались так измерить ускорение свободного падения.
Обычно на канале мы разбираем закон буквально до винтиков. Но тут кажется всё просто. Смотрим на формулу закона и всё понятно.
Разве что, важно отметить - любое тело принимается за материальную точку. Планета тут тоже будет являться материальной точкой :)
Если же тело сложной формы, то оно разбивается на фрагменты и каждый из фрагментов считается материальной точкой. Ну а сама точка отсчёта, от которой высчитывается расстояние между телами, ставится в центре объекта.
Так, для того, чтобы рассчитать силу притяжения шарика к земле, нам нужно взять радиус земли и прибавить к нему радиус шарика. Это значение подставим в формулу.
Точность этого закона не вызывает сомнений. Все силы были измерены в том числе и на современном оборудовании. В 2015 году был проведен ряд интересных экспериментов, который подтвердил правильность существования закона тяготения.
Почему тяготение существует
Вот мы и добрались до самого интересного. Начнем с того, что никто из физиков до конца не знает, почему одни тела притягивают другие. Причина ищется в так называемом гравитационном взаимодействии. Это слабое взаимодействие.
Именно существование гравитационного взаимодействия приводит к тяготению, а сама сила этого взаимодействия - это одна из фундаментальных сил в физике. Про гравитацию у нас был большой выпуск и все подробности там расписаны.
Гравитация формирует гравитационное поле. Это гравитационное поле имеет не совсем-таки понятную структуру и не до конца ясно, из чего оно состоит. Логично рассматривать сегодня эту силу как свойство тел в нашей природе.
Современные теории опираются на размышления Эйнштейна, по представлениям которого все тела перемещаются в пространстве и из-за этого перемещения искажают пространство. Чем более массивное тело искажает пространство, тем больше воронка от его движения. Другие тела проваливаются в эту воронку, а мы ощущаем и наблюдаем это как существование гравитационного поля.
Кроме того, некоторые ученые предполагают, что электрическое поле имеет схожую природу с гравитационным полем. Ведь притяжение двух зарядов по закону Кулона высчитывается в итоге также, как и притяжение двух тел. Только роль массы играет величина заряда.
Как использовать закон всемирного тяготения
Мы уже поняли, что закон всемирного тяготения всеобъемлющий. Но обозначим пару значимых примеров, которые позволят ощутить всю глубину этой фразы:
- Ускорение свободного падения, которое мы используем при решении большинства задач физики высчитывается из закона всемирного тяготения. Из него же следует, что для разных планет с разной массой это разные цифры.
- Закон всемирного тяготения позволяет объяснить, почему притяжение на луне имеет меньшие значения, чем на земле. Луна весит меньше вот вам и ответ, подставим в формулу в начале статьи и поймем.
- Закон всемирного тяготения способен объяснить, почему атомы и молекулы притягиваются друг к другу, что в итоге приводит к образованию связей. Это важно для материаловедов. Ну а не слипаются частицы, потому что встречаются уже с силой отталкивания между электронами. Кстати, не путайте гравитационное взаимодействие и внутриатомное взаимодействие. Последнее в много раз превышает гравитацию.
Ну и да, самый интересный пример тут - наше притяжение друг к другу даже на физическом уровне :) Подробнее обо всём этом я написал в своей книге.
Полезная книга от меня по основам физики (механики)
------------
Обязательно оцените статью лайком, напишите комментарий и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала.
-------------
Советую также прочитать на нашем канале:
-----
Смотрите нас на YouTube и присоединяйтесь к телеге!