На вопрос «Что такое сила?» физика отвечает так: «Сила есть мера взаимодействия вещественных тел между собой или между телами и другими материальными объектами - физическими полями». Все силы в природе могут быть отнесены к четырем фундаментальным видам взаимодействий: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному. Наша статья рассказывает о том, что представляют собой гравитационные силы - мера последнего и, пожалуй, наиболее широко распространенного в природе вида этих взаимодействий.

Начнем с притяжения земли

Всем живущим известно, что существует сила, которая притягивает объекты к земле. Она обычно именуется гравитацией, силой тяжести или земным притяжением. Благодаря ее наличию у человека возникли понятия «верх» и «низ», определяющие направление движения или расположения чего-либо относительно земной поверхности. Так в частном случае, на поверхности земли или вблизи нее, проявляют себя гравитационные силы, которые притягивают объекты, обладающие массой, друг к другу, проявляя свое действие на любых как самых малых, так и очень больших, даже по космическим меркам, расстояниях.

Сила тяжести и третий закон Ньютона

Как известно, любая сила, если она рассматривается как мера взаимодействия физических тел, всегда приложена к какому-нибудь из них. Так и в гравитационном взаимодействии тел друг с другом, каждое из них испытывает такие виды гравитационных сил, которые вызваны влиянием каждого из них. Если тел всего два (предполагается, что действием всех других можно пренебречь), то каждое из них по третьему закону Ньютона будет притягивать другое тело с одинаковой силой. Так Луна и Земля притягивают друг друга, следствием чего являются приливы и отливы земных морей.

Каждая планета в Солнечной системе испытывает сразу несколько сил притяжения со стороны Солнца и других планет. Конечно, определяет форму и размеры ее орбиты именно сила притяжения Солнца, но и влияние остальных небесных тел астрономы учитывают в своих расчетах траекторий их движения.

Что быстрее упадет на землю с высоты?

Главной особенностью этой силы является то, что все объекты падают на землю с одной скоростью, независимо от их массы. Когда-то, вплоть до 16-го ст., считалось, что все наоборот - более тяжелые тела должны падать быстрее, чем легкие. Чтобы развеять это заблуждение Галилео Галилею пришлось выполнить свой знаменитый опыт по одновременному сбрасыванию двух пушечных ядер разного веса с наклонной Пизанской башни. Вопреки ожиданиям свидетелей эксперимента оба ядра достигли поверхности одновременно. Сегодня каждый школьник знает, что это произошло благодаря тому, что сила тяжести сообщает любому телу одно и то же ускорение свободного падения g = 9,81 м/с 2 независимо от массы m этого тела, а величина ее по второму закону Ньютона равна F = mg.

Гравитационные силы на Луне и на других планетах имеют разные значения этого ускорения. Однако характер действия силы тяжести на них такой же.

Сила тяжести и вес тела

Если первая сила приложена непосредственно к самому телу, то вторая к его опоре или подвесу. В этой ситуации на тела со стороны опор и подвесов всегда действуют силы упругости. Гравитационные силы, приложенные к тем же телам, действуют им навстречу.

Представьте себе груз, подвешенный над землей на пружине. К нему приложены две силы: сила упругости растянутой пружины и сила тяжести. Согласно третьему закону Ньютона груз действует на пружину с силой, равной и противоположной силе упругости. Эта сила и будет его весом. У груза массой 1 кг вес равен Р = 1 кг ∙ 9,81 м/с 2 = 9,81 Н (ньютон).

Гравитационные силы: определение

Первая количественная теория гравитации, основанная на наблюдениях движения планет, была сформулирована Исааком Ньютоном в 1687 году в его знаменитых "Началах натуральной философии". Он писал, что силы притяжения, которые действуют на Солнце и планеты, зависят от количества вещества, которое они содержат. Онираспространяются на большие расстояния и всегда уменьшаются как величины, обратные квадрату расстояния. Как же можно вычислить эти гравитационные силы? Формула для силы F между двумя объектами с массами m 1 и m 2 , находящимися на расстоянии r, такова:

• F=Gm 1 m 2 /r 2 ,
  где G — константа пропорциональности, гравитационная постоянная.

Физический механизм гравитации

Ньютон был не полностью удовлетворен своей теорией, поскольку она предполагала взаимодействие между притягивающимися телами на расстоянии. Сам великий англичанин был уверен, что должен существовать некий физический агент, ответственный за передачу действия одного тела на другое, о чем он вполне ясно высказался в одном из своих писем. Но время, когда было введено понятие гравитационного поля, которое пронизывает все пространство, наступило лишь через четыре столетия. Сегодня, говоря о гравитации, мы можем говорить о взаимодействии любого (космического) тела с гравитационным полем других тел, мерой которого и служат возникающие между каждой парой тел гравитационные силы. Закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном в вышеприведенной форме, остается верным и подтверждается множеством фактов.

Теория гравитации и астрономия

Она была очень успешно применена к решению задач небесной механики во время XVIII и начале XIX века. К примеру, математики Д. Адамс и У. Леверье, анализируя нарушения орбиты Урана, предположили, что на него действуют гравитационные силы взаимодействия с еще неизвестной планетой. Ими было указано ее предполагаемое положение, и вскоре астрономом И. Галле там был обнаружен Нептун.

Хотя оставалась одна проблема. Леверье в 1845 году рассчитал, что орбита Меркурия прецессирует на 35"" за столетие, в отличие от нулевого значения этой прецессии, получаемого по теории Ньютона. Последующие измерения дали более точное значение 43"". (Наблюдаемая прецессия равна действительно 570""/век, но кропотливый расчет, позволяющий вычесть влияние от всех других планет, дает значение 43"".)

Только в 1915 г. Альберт Эйнштейн смог объяснить это несоответствие в рамках созданной им теории гравитации. Оказалось, что массивное Солнце, как и любое другое массивное тело, искривляет пространство-время в своей окрестности. Эти эффекты вызывают отклонения в орбитах планет, но у Меркурия, как самой малой и ближайшей к нашей звезде планете, они проявляются сильнее всего.

Инерционная и гравитационная массы

Как уже отмечалось выше, Галилей был первым, кто наблюдал, что объекты падают на землю с одинаковой скоростью, независимо от их массы. В формулах Ньютона понятие массы происходит от двух разных уравнений. Второй его закон говорит, что сила F, приложенная к телу с массой m, дает ускорение по уравнению F = ma.

Однако сила тяжести F, приложенная к телу, удовлетворяет формуле F = mg, где g зависит от другого тела, взаимодействующего с рассматриваемым (земли обычно, когда мы говорим о силе тяжести). В обоих уравнений m есть коэффициент пропорциональности, но в первом случае это инерционная масса, а во втором - гравитационная, и нет никакой очевидной причины, что они должны быть одинаковыми для любого физического объекта.

Однако все эксперименты показывают, что это действительно так.

Теория гравитации Эйнштейна

Он взял факт равенства инерционной и гравитационной масс как отправную точку для своей теории. Ему удалось построить уравнения гравитационного поля, знаменитые уравнения Эйнштейна, и с их помощью вычислить правильное значение для прецессии орбиты Меркурия. Они также дают измеренное значение отклонения световых лучей, которые проходят вблизи Солнца, и нет никаких сомнений в том, что из них следуют правильные результаты для макроскопической гравитации. Теория гравитации Эйнштейна, или общая теория относительности (ОТО), как он сам ее назвал, является одним из величайших триумфов современной науки.

Гравитационные силы - это ускорение?

Если вы не можете отличить инерционную массу от гравитационной, то вы не можете отличить и гравитацию от ускорения. Эксперимент в гравитационном поле вместо этого может быть выполнен в ускоренно движущемся лифте в отсутствии гравитации. Когда космонавт в ракете ускоряется, удаляясь от земли, он испытывает силу тяжести, которая в несколько раз больше земной, причем подавляющая ее часть приходит от ускорения.

Если никто не может отличить гравитацию от ускорения, то первую всегда можно воспроизвести путем ускорения. Система, в которой ускорение заменяет силу тяжести, называется инерциальной. Поэтому Луну на околоземной орбите также можно рассматривать как инерциальную систему. Однако эта система будет отличаться от точки к точке, поскольку изменяется гравитационное поле. (В примере с Луной гравитационное поле изменяет направление из одной точки в другую.) Принцип, согласно которому всегда можно найти инерциальную систему в любой точке пространства и времени, в которой физика подчиняется законам в отсутствии гравитации, называется принципом эквивалентности.

Гравитация как проявление геометрических свойств пространства-времени

Тот факт, что гравитационные силы можно рассматривать как ускорения в инерциальных системах координат, которые отличаются от точки к точке, означает, что гравитация - это геометрическое понятие.

Мы говорим, что пространство-время искривляется. Рассмотрим мяч на плоской поверхности. Он будет покоиться или, если нет никакого трения, равномерно двигаться при отсутствии действия каких-либо сил на него. Если поверхность искривляется, мяч ускорится и будет двигаться до самой низкой точки, выбирая кратчайший путь. Аналогичным образом теория Эйнштейна утверждает, что четырехмерное пространство-время искривлено, и тело движется в этом искривленном пространстве по геодезической линии, которой соответствует кратчайший путь. Поэтому гравитационное поле и действующие в нем на физические тела гравитационные силы - это геометрические величины, зависящие от свойств пространства-времени, которые наиболее сильно изменяются вблизи массивных тел.

Одно из самых замечательных свойств сил всемирного тяготения, или, как их часто называют, гравитационных сил, отражено уже в самом названии, данном Ньютоном: всемирные . Эти силы, если так можно выразиться, "самые универсальные" среди всех сил природы. Все, что имеет массу - а масса присуща любой форме, любому виду материи, - должно испытывать гравитационные воздействия. Исключения не составляет даже свет. Если представлять себе наглядно гравитационные силы с помощью ниточек, которые тянутся от одних тел к другим, то бесчисленное множество таких ниточек должно было бы пронизывать пространство в любом месте. При этом нелишне заметить, что порвать такую ниточку, загородиться от гравитационных сил невозможно. Для всемирного тяготения нет преград. Мы можем всегда поставить непреодолимый барьер для электрического поля (таким барьером может служить экран из любого достаточно хорошо проводящего материала); внутрь сверхпроводника, как известно, не проникнет магнитное поле. Но гравитационное взаимодействие свободно передается через любые тела. Экраны из особых веществ, непроницаемых для гравитации (вроде кеворита из романа Г. Уэллса "Первые люди на Луне"), могут существовать только в воображении авторов научно- фантастических книг.

Сравнительно недавно появилось сообщение об измерениях французского астронома Аллена, произведенных во время солнечного затмения. Из анализа этих измерений как будто вытекало, что существует гравитационная тень, что сила притяжения Земли Солнцем уменьшается, когда между ними находится Луна. Что же оказалось в действительности? Просто не было учтено то изменение температуры приборов, которое неизбежно во время затмения. Именно этот, на первый взгляд незначительный эффект и ввел Аллена в заблуждение. Недавно советскому физику В. Брагинскому с рекордной точностью - 10-11 от веса тела - удалось экспериментально доказать отсутствие гравитационной тени.

Велики ли гравитационные силы?

Итак, гравитационные силы вездесущи и всепроникающи. Почему же мы не ощущаем притяжения большинства тел? Почему, например, притяжение Земли чувствуется на каждом шагу, а даже самые высокие горы, эти громады камня, если и притягивают к себе, то разве что только орлов и альпинистов? Если подсчитать, какую долю от притяжения Земли составляет, например, притяжение Эвереста (в самых благоприятных в смысле расположения условиях), то окажется, что лишь тысячные доли процента. Сила же взаимного притяжения двух людей среднего веса при расстоянии между ними в один метр не превышает трех сотых миллиграмма. Так слабы гравитационные силы. Здесь некоторые из читателей, возможно, остановятся в удивлении. Слабы?! Как можно назвать слабым такой "канат", на котором можно подвесить Землю к Солнцу или Луну к Земле, особенно принимая во внимание огромные расстояния между ними? Подобного рода недоумения возникали не раз. Известный популяризатор науки Я. И. Перельман сообщает, например, о появлении в конце XIX века (сравнительно недавно, стало быть) книги Карпентера "Современная наука", автор которой говорил о том, что чрезвычайная слабость гравитационных сил, утверждаемая в физике, вообще подрывает доверие к этой науке. Любопытно отметить, что книга вышла с сочувственным предисловием Л. Н. Толстого.

Тот факт, что гравитационные силы, вообще говоря, гораздо слабее электрических, вызывает своеобразное разделение сфер влияния этих сил. Например, подсчитав, что в атомах гравитационное притяжение электронов к ядру слабее, чем электрическое, в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз, легко понять, что процессы внутри атома определяются практически одними лишь электрическими силами (если не касаться пока внутриядерных процессов). Гравитационные силы становятся ощутимыми, а порой и грандиозными, когда на сцену выступают такие огромные массы, как массы космических тел: планет, звезд и т. д.

Так, Земля и Луна притягиваются с силой примерно в 20 000 000 000 000 000 тонн. Даже такие далекие от нас звезды, свет которых годы идет до Земли, шлют нам свой гравитационный привет, выражающийся внушительной цифрой, - это сотни миллионов тонн.

Радиус их действия равен бесконечности

Мы уже фактически молчаливо приняли, что взаимное притяжение двух тел убывает по мере их удаления друг от друга. Это так наглядно и кажется таким очевидным, что редко у кого возникают сомнения на этот счет. Но давайте попробуем мысленно проделать такой опыт: будем измерять силу, с которой Земля притягивает какое-либо тело, например двадцатикилограммовую гирю. Первый опыт пусть соответствует таким условиям, когда гиря помещена на очень большом расстоянии от Земли. В этих условиях сила притяжения (которую, кстати, можно измерять с помощью самых обыкновенных пружинных весов) практически будет равна нулю. По мере приближения гири к Земле появится и будет постепенно возрастать взаимное притяжение, и, наконец, когда гиря окажется на поверхности Земли, стрелка пружинных весов остановится на делении "20 кГ", поскольку то, что мы называем весом, отвлекаясь от вращения Земли, есть не что иное, как сила, с которой Земля притягивает тела, расположенные на ее поверхности. Ну, а если продолжить наш опыт и опустить гирю в глубокую шахту? Легко сообразить, что это уменьшит действующую на гирю силу. Это видно хотя бы из того, что если бы мы, продолжая наш воображаемый опыт, поместили гирю в центр Земли, то притяжение со всех сторон взаимно уравновесилось бы и стрелка пружинных весов стояла бы точно на нуле. Итак, нельзя, оказывается, просто сказать, что гравитационные силы убывают с увеличением расстояния - нужно всегда оговариваться, что сами эти расстояния при такой формулировке принимаются много большими, чем размеры тел. Именно в этом случае справедлив сформулированный Ньютоном закон: силы всемирного тяготения убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между притягивающимися телами . Попробуем пояснее представить себе, что это значит. Арифметически это означает, что если, например, расстояние увеличивается в три раза, то сила уменьшается в 3 2 , т. е. в девять раз, ит. д. Однако из этого подсчета еще не ясно, что это - быстрое или не очень быстрое изменение с расстоянием? Означает ли такой закон, что взаимодействие практически ощущается лишь между ближайшими соседями, или же оно заметно и на достаточно больших расстояниях?

Ответ на этот вопрос, пожалуй, удобнее всего дать, сравнивая закон убывания с расстоянием гравитационных сил с законом, по которому уменьшается освещенность по мере удаления от источника. Как в одном, так и в другом случае действует, оказывается, один и тот же закон - обратная пропорциональность квадрату расстояния. Но ведь мы видим звезды, находящиеся от нас на таких огромных расстояниях, пройти которые даже световой луч, не имеющий соперников по скорости, может лишь за миллиарды лет! А ведь если до нас доходит свет от этих звезд, значит (закон-то убывания одинаковый) должно, хотя бы и очень слабо, чувствоваться их притяжение. Следовательно, действие сил всемирного тяготения простирается, непрерывно убывая, практически на неограниченные расстояния. Как говорят физики, радиус их действия равен бесконечности. Гравитационные силы - это дальнодействующие силы . Таково "официальное название" этих сил в физике. Далеко не все силы, как мы увидим в дальнейшем, имеют такой характер. Вследствие дальнодействия гравитация связывает все тела Вселенной.

Относительная медленность убывания сил с расстоянием на каждом шагу проявляется в наших земных условиях: ведь все тела не изменяют своего веса, будучи перенесенными с одной высоты на другую (или, если быть более точными, меняют, но крайне незначительно), именно потому, что при относительно малом изменении расстояния - в данном случае до центра Земли - гравитационные силы практически не изменяются.

Кстати, отметим, что именно по этой причине закон изменения гравитационных сил с расстоянием был открыт "на небе". Все необходимые данные черпались здесь из астрономии. Не следует, однако, думать, что уменьшение силы тяжести с высотой нельзя обнаружить в земных условиях. Так, например, маятниковые часы с периодом колебания в одну секунду отстанут в сутки почти на три секунды, если их поднять из подвала на верхний этаж Московского университета (200 метров) - и это только за счет уменьшения силы тяжести.

Высоты, на которых движутся искусственные спутники, уже сравнимы с радиусом Земли, так что для расчета их траектории учет изменения силы земного притяжения с расстоянием совершенно необходим.

Необыкновенное свойство гравитационных сил

В течение многих веков средневековая наука принимала как незыблемую догму утверждение Аристотеля о том, что тело падает тем быстрее, чем больше его вес. Даже повседневный опыт подтверждает это: ведь известно, что пушинка падает медленнее, чем камень. Однако, как впервые сумел показать Галилей, все дело здесь в том, что сопротивление воздуха, вступая в игру, радикально искажает ту картину, которая была бы, если бы на все тела действовало одно только земное притяжение. Существует замечательный по своей наглядности опыт с так называемой трубкой Ньютона, позволяющий прекрасно оценить роль сопротивления воздуха. Вот краткое описание этого опыта. Представьте себе обыкновенную стеклянную (чтобы было видно, что делается внутри) трубку, в которую помещены различные предметы: дробинки, кусочки пробки, перышки или пушинки и т. д. Если перевернуть трубку так, чтобы все это могло падать, то быстрее всего промелькнет дробинка, за ней - кусочки пробки и, наконец, плавно опустится пух. Но попробуем проследить за падением тех же предметов, когда из трубки выкачан воздух. Пушинка, потеряв былую медлительность, несется, не отставая от дробинки и пробки. Значит, ее движение раньше задерживалось сопротивлением воздуха, которое в меньшей степени сказывалось на движении пробки и еще меньше на движении дробинки. Следовательно, если бы не сопротивление воздуха, если бы на тела действовали только силы всемирного тяготения - в частном случае земное притяжение, - то все тела падали бы совершенно одинаково, ускоряясь в одном и том же темпе.

Но "ничто не ново под луной". Две тысячи лет тому назад Лукреций Кар в своей знаменитой поэме "О природе вещей" писал:

Все то, что падает в воздухе редком, Падать быстрее должно в соответствии с собственным весом Лишь потому, что воды или воздуха тонкая сущность Не в состояньи вещам одинаковых ставить препятствий, Но уступает скорее имеющим большую тяжесть. Наоборот, никогда никакую нигде не способна Вещь задержать пустота и явиться какой-то опорой, В силу природы своей постоянно всему уступая. Должно поэтому все, проносясь в пустоте без препятствий, Равную скорость иметь, несмотря на различие в весе.

Конечно, эти замечательные слова были только прекрасной догадкой. Чтобы превратить эту догадку в надежно установленный закон, потребовалось множество опытов, начиная с знаменитых экспериментов Галилея, изучавшего падение с известной наклонной Пизанской башни шаров одинаковых размеров, но сделанных из различных материалов (мрамора, дерева, свинца и т. д.), и кончая сложнейшими современными измерениями влияния гравитации на свет. И все это многообразие экспериментальных данных настойчиво укрепляет нас в убеждении, что гравитационные силы сообщают всем телам одинаковое ускорение; в частности, ускорение свободного падения, вызванное земным притяжением, одинаково для всех тел и не зависит ни от состава, ни от строения, ни от массы самих тел.

Этот, повторяем, простой, как будто бы, закон и выражает собой, пожалуй, самую замечательную особенность гравитационных сил. Нет буквально никаких других сил, которые бы одинаково ускоряли все тела независимо от их массы. Вот, например, футболист ударил по мячу. Чем легче мяч, тем большую скорость он получит (при одинаковой силе и длительности удара). Ну, а что бы вы сказали о футболисте, удар которого одинаково ускорял бы как обыкновенный кожаный мяч, так, скажем, и двухпудовую гирю или даже слона? Каждый скажет, что это совершенно невероятно. Но ведь именно так обстоят дела при гравитационных воздействиях, с той только разницей, что, если так можно выразиться, гравитационный "удар" длится непрерывно, никогда не прекращаясь.

О том, какой глубокий физический смысл скрывается за указанной замечательной особенностью гравитационных сил, мы еще будем много говорить при обсуждении вопроса о природе всемирного тяготения, о том, что носит название общей теории относительности. Сейчас нам нужно будет вспомнить, что лежит в основе описания движения в механике. В свое время, говоря об определении силы в механике, мы вынуждены были опереться на ньютоновские законы механики, согласно которым сообщаемое телу ускорение прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально массе тела. Это приводит к простому и замечательному выводу: чтобы ускорение не зависело от массы, необходимо, чтобы сила была пропорциональна массе. Вот, например, два тела: мячик для пинг-понга и такой же по размеру свинцовый шарик. Масса первого примерно в 300 раз меньше массы второго. Значит, чтобы сообщить свинцовому шарику такое же ускорение, как и мячику, на него нужно подействовать в триста раз большей силой. Но под влиянием земного притяжения и мячик и свинцовый шарик падают как раз с одинаковым ускорением. Стало быть, это притяжение отрегулировано в соответствии с массами тел: во. сколько раз масса свинцового шарика больше массы мячика, во столько больше и его притяжение к Земле.

Итак, замечательное свойство сил всемирного тяготения можно спрессовать в одно короткое утверждение: гравитационная сила пропорциональна массе тел . Подчеркнем, что здесь речь идет о той самой массе, которая в законах Ньютона выступает как мера инерции. Ее даже называют инертной массой.

В четырех словах "гравитационная сила пропорциональна массе" заключен удивительно глубокий смысл. Большие и малые тела, горячие и холодные, самого различного химического состава, любого строения - все они испытывают одинаковое гравитационное взаимодействие, если массы их равны.

А может быть, этот закон и действительно прост? Ведь Галилей, например, считал его чуть ли не самоочевидным. Вот его рассуждения. Пусть падают два тела разного веса. По Аристотелю тяжелое тело должно падать быстрее даже в пустоте. Теперь соединим тела. Тогда, с одной стороны, тела должны падать быстрее, так как общий вес увеличился. Но, с другой стороны, добавление к тяжелому телу части, падающей медленнее, должно тормозить это тело. Налицо противоречие, которое можно устранить, только если допустить, что все тела под действием одного только земного притяжения падают с одинаковым ускорением.

Как будто все последовательно! Однако вдумаемся еще раз в приведенное рассуждение. Оно строится на распространенном методе доказательства "от противного": предположив, что более тяжелое тело падает быстрее легкого, мы пришли к противоречию. Заметьте: с самого начала появилось предположение, что ускорение свободного падения определяется весом и только весом . (Строго говоря, не весом, а массой.)

Но ведь это заранее (т. е. до эксперимента) вовсе не очевидно. А что, если бы это ускорение определялось объемом тел? Или температурой? Или, наконец (дадим волю фантазии), цветом или запахом? Короче говоря, представим себе, что существует гравитационный заряд, аналогичный электрическому и, как этот последний, совершенно не связанный непосредственно с массой. Сравнение с электрическим зарядом очень полезно. Вот две пылинки между заряженными пластинами конденсатора. Пусть у этих пылинок равные заряды, а массы относятся как 1 к 2. Тогда ускорения должны отличаться в два раза: силы, определяемые зарядами, равны, а при равных силах тело вдвое большей массы ускоряется вдвое меньше. Если же соединить пылинки, то, очевидно, ускорение будет иметь новое, промежуточное значение. Никакой умозрительный подход без экспериментального исследования электрических сил ничего здесь не может дать. Точно такой же была бы картина, если бы гравитационный заряд не был связан с массой. А ответить на вопрос о том, есть ли такая связь, может лишь опыт. И нам теперь понятно, что именно эксперименты, доказавшие одинаковость обусловленного гравитацией ускорения для всех тел, показали, по существу, что гравитационный заряд (гравитационная или тяжелая масса) равен инертной массе.

Опыт и только опыт может служить как основой для физических законов, так и критерием их точности.

Именно на опыте, на широком испытании природы - от скромных масштабов небольшой лаборатории ученого до грандиозных космических масштабов - основан закон всемирного тяготения, который (если подытожить все сказанное выше) гласит:

Сила взаимного притяжения любых двух тел, размеры которых гораздо меньше расстояния между ними, пропорциональна произведению масс этих тел и обратно Пропорциональна квадрату расстояния между этими телами .

Коэффициент пропорциональности называется гравитационной постоянной. Если измерять длину в сантиметрах, время в секундах, а массу в граммах, гравитационная постоянная будет численно равна 6,68·10 -8 , причем ее размерность будет соответственно см 3 /г·сек 2 .

В природе существуют различные силы, которые характеризуют взаимодействие тел. Рассмотрим те силы, которые встречаются в механике.

Гравитационные силы. Вероятно, самой первой силой, существование которой осознал человек, являлась сила притяжения, действующая на тела со стороны Земли.

И потребовались многие века для того, чтобы люди поняли, что сила тяготения действует между любыми телами. И потребовались многие века для того, чтобы люди поняли, что сила тяготения действует между любыми телами. Первым этот факт понял английский физик Ньютон. Анализируя законы, которым подчиняется движение планет (законы Кеплера), он пришёл к выводу, что наблюдаемые законы движения планет могут выполняться только в том случае, если между ними действует сила притяжения, прямо пропорциональная их массам и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения . Любые два тела притягиваются друг к другу. Сила притяжения между точечными телами направлена по прямой, их соединяющей, прямо пропорциональна массам обоих и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Под точечными телами в данном случае понимают тела, размеры которых во много раз меньше расстояния между ними.

Силы всемирного тяготения называют гравитационными силами. Коэффициент пропорциональности G называют гравитационной постоянной. Его значение было определено экспериментально: G = 6,7 10¯¹¹ Н м² / кг².

Сила тяготения действующая вблизи поверхности Земли, направлена к её центру и вычисляется по формуле:

где g – ускорение свободного падения (g = 9,8 м/с²).

Роль силы тяготения в живой природе очень значительна, так как от её величины во многом зависят размеры, формы и пропорции живых существ.

Вес тела. Рассмотрим, что происходит, когда некоторый груз кладут на горизонтальную плоскость (опору). В первый момент после того, как груз опустили, он начинает двигаться вниз под действием силы тяжести (рис. 8).

Плоскость прогибается и возникает сила упругости (реакция опоры), направленная вверх. После того как сила упругости (Fу) уравновесит силу тяжести, опускание тела и прогиб опоры прекратятся.

Прогиб опоры возник под действием тела, следовательно, со стороны тела на опору действует некоторая сила (Р), которую называют весом тела (рис. 8, б). По третьему закону Ньютона вес тела равен по величине силе реакции опоры и направлен в противоположную сторону.

Р = - Fу = Fтяж.

Весом тела называют силу Р, с которой тело действует на неподвижную относительно него горизонтальную опору .

Поскольку сила тяжести (вес) приложены к опоре, она деформируется и за счёт упругости оказывает противодействие силе тяжести. Силы, развиваемые при этом со стороны опоры называются силами реакции опоры, а само явление развития противодействия - реакцией опоры. По третьему закону Ньютона сила реакции опоры равна по величине силе тяжести тела и противоположна ему по направлению.

Если человек на опоре движется с ускорением звеньев его тела, направленных от опоры, то сила реакции опоры возрастает на величину ma, где m – масса человека, а – ускорения с которыми движутся звенья его тела. Эти динамические воздействия можно фиксировать с помощью тензометрических устройств (динамограммы).

Вес не следует путать с массой тела. Масса тела характеризует его инертные свойства и не зависит ни от силы тяготения, ни от ускорения, с которым оно движется.

Вес тела характеризует силу, с которой оно действует на опору и зависит как от силы тяготения, так и от ускорения движения.

Например, на Луне вес тела примерно в 6 раз меньше, чем вес тела на Земле, Масса же в обоих случаях одинакова и определяется количеством вещества в теле.

В быту, технике, спорте вес часто указывают не в ньютонах (Н), а в килограммах силы (кгс). Переход от одной единицы к другой осуществляется по формуле: 1 кгс = 9,8 Н.

Когда опора и тело неподвижны, то масса тела равна силе тяжести этого тела. Когда же опора и тело движутся с некоторым ускорением, то в зависимости от его направления тело может испытывать или невесомость или перегрузку. Когда ускорение совпадает по направлению и равно ускорению свободного падения, вес тела будет равен нулю, поэтому возникает состояние невесомости (МКС, скоростной лифт при опускании вниз). Когда же ускорение движения опоры противоположно ускорению свободного падения, человек испытывает перегрузку (старт с поверхности Земли пилотируемого космического корабля, Скоростной лифт, поднимающийся вверх).

Между любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки

Исаак Ньютон выдвинул предположение, что между любыми телами в природе существуют силы взаимного притяжения. Эти силы называют силами гравитации или силами всемирного тяготения . Сила несмирного тяготения проявляется в космосе, Солнечной системе и на Земле.

Закон всемирного тяготения

Ньютон обобщил законы движения небесных тел и выяснил, что сила \(F \) равна:

\[ F = G \dfrac{m_1 m_2}{R^2} \]

где \(m_1 \) и \(m_2 \) - массы взаимодействующих тел, \(R \) - расстояние между ними, \(G \) - коэффициент пропорциональности, который называется гравитационной постоянной . Численное значение гравитационной постоянной опытным путем определил Кавендиш, измеряя силу взаимодействия между свинцовыми шарами.

Физический смысл гравитационной постоянной вытекает из закона всемирного тяготения. Если \(m_1 = m_2 = 1 \text{кг} \) , \(R = 1 \text{м} \) , то \(G = F \) , т. е. гравитационная постоянная равна силе, с которой притягиваются два тела по 1 кг на расстоянии 1 м.

Численное значение:

\(G = 6,67 \cdot{} 10^{-11} Н \cdot{} м^2/ кг^2 \) .

Силы всемирного тяготения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах (или если хотя бы масса одного из тел велика). Закон же всемирного тяготения выполняется только для материальных точек и шаров (в этом случае за расстояние принимается расстояние между центрами шаров).

Сила тяжести

Частным видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле (или к другой планете). Эту силу называют силой тяжести . Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свбодного падения.

В соответствии со вторым законом Ньютона \(g = F_Т /m \) , следовательно, \(F_T = mg \) .

Если M – масса Земли, R – ее радиус, m – масса данного тела, то сила тяжести равна

\(F = G \dfrac{M}{R^2}m = mg \) .

Сила тяжести всегда направлена к центру Земли. В зависимости от высоты \(h \) над поверхностью Земли и географической широты положения тела ускорение свободного падения приобретает различные значения. На поверхности Земли и в средних широтах ускорение свободного падения равно 9,831 м/с 2 .

Вес тела

В технике и быту широко используется понятие веса тела.

Вес тела обозначается \(P \) . Единица веса - ньютон (Н ). Так как вес равен силе, с которой тело действует на опору, то в соответствии с третьим законом Ньютона по величине вес тела равен силе реакции опоры. Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо определить, чему равна сила реакции опоры.

При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса.

Вес тела и сила тяжести отличаются по своей природе: вес тела является проявлением действия межмолекулярных сил, а сила тяжести имеет гравитационную природу.

Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называют невесомостью . Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением, по¬этому в корабле наблюдается состояние невесомости.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!

В природе известны лишь четыре основные фундаментальные силы (их еще называют основными взаимодействиями ) - гравитационное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие .

Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех. Гравитационные силы связывают воедино части земного шара и это же взаимодействие определяет крупномасштабные события во Вселенной .

Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и связывает атомы в молекулы. Частным проявлением этих сил являются кулоновские силы , действующие между неподвижными электрическими зарядами.

Сильное взаимодействие связывает нуклоны в ядрах. Это взаимодействие является самым сильным, но действует оно только на весьма коротких расстояниях.

Слабое взаимодействие действует между элементарными частицами и имеет очень малую дальность. Оно проявляется при бета-распаде.

4.1.Закон всемирного тяготения Ньютона

Между двумя материальными точками действует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению масс этих точек (m и М) и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними (r 2 ) и направленная вдоль прямой, проходящей через взаимодействующие тела F = (GmM/r 2)r o ,(1)

здесь r o - единичный вектор, проведенный в направлении действия силы F (рис.1а).

Эта сила называется гравитационной силой (или силой всемирного тяготения ). Гравитационные силы всегда являются силами притяжения . Сила взаимодействия между двумя телами не зависит от среды, в которой находятся тела .

g 1 g 2

Рис.1а Рис.1b Рис.1с

Постоянная G называется гравитационной постоянной . Ее значение установлено опытным путем: G = 6.6720 . 10 -11 Н. м 2 /кг 2 - т.е. два точечных тела массой по 1кг каждое, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга, притягиваются с силой 6.6720 . 10 -11 Н. Очень малая величина G как раз и позволяет говорить о слабости гравитационных сил - их следует принимать во внимание только в случае больших масс.

Массы, входящие в уравнение (1), называются гравитационными массами . Этим подчеркивается, что в принципе массы, входящие во второй закон Ньютона (F =m ин a )и в закон всемирного тяготения (F =(Gm гр M гр /r 2)r o ), имеют различную природу. Однако установлено, что отношение m гр / m ин для всех тел одинаково с относительной погрешностью до 10 -10 .

4.2.Гравитационное поле (поле тяготения) материальной точки

Считается, что гравитационное взаимодействие осуществляется с помощью гравитационного поля (поля тяготения) , которое порождается самими телами . Вводится две характеристики этого поля: векторная - и скалярная - потенциал гравитационного поля .

4.2.1.Напряженность гравитационного поля

Пусть имеем материальную точку с массой М. Считается, что вокруг этой массы возникает гравитационное поле. Силовой характеристикой такого поля является напряженность гравитационного поля g , которая определяется из закона всемирного тяготения g = (GM/r 2)r o ,(2)

где r o - единичный вектор, проведенный из материальной точки в направлении действия гравитационной силы. Напряженность гравитационного поля g есть векторная величина и является ускорением, получаемым точечной массой m, внесенной в гравитационное поле, созданным точечной массой М. Действительно, сравнивая (1) и (2), получаем для случая равенства гравитационной и инертной масс F =mg.

Подчеркнем, что величина и направление ускорения, получаемое телом, внесенным в гравитационное поле, не зависит от величины массы внесенного тела . Поскольку основной задачей динамики является определение величины ускорения, получаемого телом под действием внешних сил, то, следовательно, напряженность гравитационного поля полностью и однозначно определяет силовые характеристики гравитационного поля . Зависимость g(r) приведена на рис.2a.

Рис.2а Рис.2b Рис.2с

Поле называется центральным , если во всех точках поля векторы напряженности направлены вдоль прямых, которые пересекаются в одной точка, неподвижной по отношению к какой-либо инерциальной системе отсчета . В частности, гравитационное поле материальной точки является центральным: во всех точках поля векторы g и F =mg , действующие на тело, внесенное в гравитационное поле, направлены радиально от массы М, создающей поле, к точечной массе m (рис.1b).

Закон всемирного тяготения в форме (1) установлен для тел, принимаемых за материальные точки, т.е. для таких тел, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними. Если же размерами тел пренебречь нельзя, то тела следует разбить на точечные элементы, по формуле (1) подсчитать силы притяжения между всеми попарно взятыми элементами и затем геометрически сложить. Напряженность гравитационного поля системы, состоящей из материальных точек с массами М 1 , М 2 , ..., М n , равна сумме напряженностей полей от каждой из этих масс в отдельности (принцип суперпозиции гравитационных полей ): g =g i , где g i = (GМ i /r i 2)r o i - напряженность поля одной массы М i .

Графическое изображение гравитационного поля с помощью векторов напряженности g в различных точках поля очень неудобно: для систем, состоящих из многих материальных точек, вектора напряженности накладываются друг на друга и получается весьма запутанная картина. Поэтому для графического изображения гравитационного поля используют силовые линии (линии напряженности) , которые проводят таким образом, что вектор напряженности направлен по касательной к силовой линии . Линии напряженности считаются направленными так же, как вектор g (рис.1с), т.е. силовые линии оканчиваются на материальной точке . Так как в каждой точке пространства вектор напряженности имеет лишь одно направление , то линии напряженности никогда не пересекаются . Для материальной точки силовые линии представляют собой радиальные прямые, входящие в точку (рис.1b).

Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только направление, но и значение напряженности поля, эти линии проводят с определенной густотой: число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектор g .