Закон всемирного тяготения

Чему равна сила гравитации

Гравитационное поле Земли — это поле силы тяжести, которое образуется из-за силы тяготения Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением.

Сила тяжести на поверхности Земли варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. В приблизительных расчетах значение обычно принимают равным 9,81; 9,8 или 10 м/с². Однако оно учитывает только силу тяжести и не учитывает центробежную силу, возникающую за счет вращения Земли. При подъеме тела над поверхностью Земли значение уменьшается.

NASA в рамках проекта GRACE создало визуализацию гравитационных аномалий на Земле. Красным цветом показаны области, где гравитация сильнее, а синим — где она слабее стандартных значений

(Фото: NASA)

Французские ученые утверждают, что различие в гравитационной постоянной в различных регионах нашей планеты зависит от величины напряженности магнитного поля Земли. Они предположили, что такое влияние может объясняться наличием дополнительных и скрытых для непосредственного наблюдения измерений пространства. Ученые подсчитали, что земное тяготение будет сильнее в тех местах, где сильнее магнитное поле. Таким образом, своих максимальных значений оно достигает в районах северного и южного магнитных полюсов. Они не совпадают с географическими полюсами. Так, северный магнитный полюс располагается в границах нынешней канадской Арктики, а южный лежит на краю Антарктиды.

Если принимать значение гравитации на Земле за единицу, то на Солнце оно будет равно 27,9, на Меркурии — 0,37, на Венере — 0,9, на Луне — 0,16, на Марсе — 0,37, на Юпитере — 2,6. Таким образом, если человек, который на Земле весит 60 кг, взвесится на Юпитере, то весы покажут 142 кг.

Космонавты на орбите также испытывают микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.

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.

Закон всемирного тяготения

В 1682 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Он звучит так: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше примерно в шесть раз.

Закон всемирного тяготения используют, чтобы вычислить силы взаимодействия между телами любой формы, если размеры тел значительно меньше расстояния между ними.

Если мы возьмем два шара, то для них можно использовать этот закон вне зависимости от расстояния между ними. За расстояние R между телами в этом случае принимается расстояние между центрами шаров.

Задачка раз

Две планеты с одинаковыми массами обращаются по круговым орбитам вокруг звезды. У первой из них радиус орбиты вдвое больше, чем у второй. Каково отношение сил притяжения первой и второй планеты к звезде?

Решение

По закону всемирного тяготения сила притяжения планеты к звезде обратно пропорциональна квадрату радиуса орбиты. Таким образом, в силу равенства масс отношение сил притяжения к звезде первой и второй планет обратно пропорционально отношению квадратов радиусов орбит:

По условию, у первой планеты радиус орбиты вдвое больше, чем у второй, то есть R₁ = 2R₂.

Это значит, что:

Ответ: отношение сил притяжения первой и второй планет к звезде равно 0,25.

Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Задачка два

У поверхности Луны на космонавта действует сила тяготения 144 Н. Какая сила тяготения действует со стороны Луны на того же космонавта в космическом корабле, движущемся по круговой орбите вокруг Луны на расстоянии трех лунных радиусов от ее центра?

Решение

По закону всемирного тяготения сила притяжения космонавта со стороны Луны обратно пропорциональна квадрату расстояния между ним и центром Луны. У поверхности Луны это расстояние совпадает с радиусом спутника. На космическом корабле, по условию, оно в три раза больше. Таким образом, сила тяготения со стороны Луны, действующая на космонавта на космическом корабле, в 9 раз меньше, чем у поверхности Луны, то есть:

144 : 9 = 16 Н

Ответ: на расстоянии трех лунных радиусов от центра сила притяжения космонавта будет равна 16 Н.

Важный нюанс!
Правильно говорить не «на тело действует сила тяготения», а «Земля притягивает тело с силой тяготения».

Невесомость и гравитация

Главная тайна гравитации заключается в том, что она состоит в сговоре с материей. Из-за этого сговора и более массивные, и менее массивные тела разгоняются гравитацией совершенно одинаково. И вагон, и маленькая тележка, и птичье перо, если их отпустить вместе, будут падать под действием гравитации одинаково, не обгоняя друг друга и не отставая. Если на Земле эти тела падают иначе, то это только потому, что присутствует воздух. Создав вакуум, можно увидеть, что дробина и перо падают вниз одинаково, потому что гравитация точно знает, во сколько раз дробина тяжелее пера, и действует на нее во столько же раз сильнее. А на поверхности Луны, где воздуха нет, остается одна лишь чистая гравитация. В этом можно убедиться, посмотрев историческое видео с опытом Галилея на Луне: командир «Аполлона-15» одновременно выпускает из рук перо и молоток, и они в один и тот же момент падают к его ногам.

Одинаковое движение всех тел под действием гравитации дает эффект невесомости. Когда в космическом корабле не включены двигатели, космонавт может выпустить чашку из рук и она зависнет рядом с ним, потому что их движением управляет гравитация, для которой все равно, легкое тело или тяжелое. Невесомость происходит не оттого, что гравитации нет, а оттого, что есть одна только гравитация.

Кстати, совсем необязательно лететь вокруг Земли. Космический корабль, направляющийся с выключенными двигателями к Луне, испытывает притяжение и Земли, и Луны, и Солнца одновременно. Они сложным образом влияют на его траекторию, но при всех поворотах и разворотах под действием гравитации невесомость всегда сохраняется.

Как известно, Луна постоянно повернута к Земле одной и той же стороной. Узнать, как выглядит обратная сторона, удалось только в 1959 году, когда ее сфотографировала посланная туда автоматическая станция. Это было долгое путешествие до Луны, вокруг нее и обратно к Земле — над Северным полушарием. При этом у станции «Луна-3» отсутствовал маршевый двигатель. Все свои маневры она выполняла под действием одной только гравитации! На протяжении всего полета на станции сохранялась невесомость.

Что представляет собой гравитация?

Гравитация — самая таинственная сила во Вселенной. Ученые мужи не знают до конца природу её возникновения. Именно она удерживает на орбитах планеты нашей Солнечной системы. Это сила, возникающая между двумя объектами и зависящая от массы и расстояния.

«Гравитацию» называют силой притяжения или тяготения. С помощью неё планета или другое тело тянет объекты к своему центру. Сила тяжести удерживает планеты на орбите вокруг Солнца.

Что она ещё делает?

Почему Вы приземляетесь на землю, когда вскакиваете, а не уплываете в космос? Почему предметы падают, когда Вы их бросаете? Ответ — невидимая сила тяжести, которая тянет объекты друг к другу. Земная гравитация — это то, что держит нас на земле и заставляет вещи падать.

Официально открыл Ньютон

Все, что имеет массу, имеет гравитацию. Мощь зависит от двух факторов: массы предметов и расстояния между ними. Если взять в руки камень и перо, с одинаковой высоты отпустить их, оба предмета упадут на землю.

Тяжелый камень упадет быстрее пера. Перо еще повисит в воздухе, потому что оно легче. Объекты с большей массой имеют большую силу притяжения, которая становится слабее с расстоянием: чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их гравитационное тяготение.

На Земле и во Вселенной

Во время полета самолета люди в нём остаются на своих местах и могут передвигаться по нему, как на земле. Так происходит из-за траектории полета. Существует специально разработанные самолеты, в которых на определенной высоте отсутствует гравитация, образуется невесомость.

Самолет выполняет специальный маневр, масса предметов меняется, они ненадолго поднимаются в воздух. Через несколько секунд гравитационное поле восстанавливается.

Рассматривая силу гравитации в Космосе, у земного шара она больше большинства планет. Достаточно посмотреть движение космонавтов при высадке на планеты. Если по земле мы ходим спокойно, то там космонавты как бы парят в воздухе, но не улетают в космос. Это значит, что у данной планеты тоже есть сила тяготения, просто несколько иная, чем у планеты Земля.

Гравитация играет важнейшую роль в развитии Вселенной. При отсутствии силы тяготения, не было бы звезд, планет, астероидов, черных дыр, галактик. Интересно, что черных дыр на самом деле не видно.

Ученые определяют признаки черной дыры по степени мощности гравитационного поля в определенной области. Если оно очень сильное с сильнейшим колебанием, это говорит о существовании черной дыры. 

Миф 1. В космосе отсутствует гравитация

Просматривая документальные фильмы о космонавтах, кажется, что они парят над поверхностью планет. Так происходит из-за того, что на других планетах гравитация ниже, чем на Земле, поэтому космонавты идут как бы паря в воздухе.

Миф 2. Все приближающиеся к черной дыре тела разрываются

Черные дыры обладают мощной силой и образуют мощные гравитационные поля. Чем ближе объект к черной дыре, тем сильнее становятся приливные силы и мощность притяжения. Дальнейшее развитие событий зависит от массы объекта, размера черной дыры и расстояния между ними.

Про гравитацию простыми словами

Черная дыра имеет массу прямо противоположную ее размеру. Интересно, что чем больше размер дыры, тем слабее приливные силы и наоборот. Таким образом, не все объекты разрываются при попадании в поле черной дыры. 

Миф 3. Искусственные спутники могут обращаться вокруг Земли вечно

Теоретически можно так сказать, если бы не влияние второстепенных факторов. Многое зависит от орбиты. На низкой орбите спутник вечно летать не сможет из-за атмосферного торможения, на высоких орбитах он может находиться в неизменном состоянии довольно долго, но здесь вступают в силу гравитационные силы других объектов.

Если бы из всех планет существовала только Земля, спутник притягивался бы к ней и практически не менял траекторию движения. Но на высоких орбитах объект окружает множество планет, больших и малых, каждая со своей силой тяготения.

Небольшое видео на нашу тему:

Некоторые факты

1. В некоторых уголках Земли сила гравитации имеет более слабую силу, чем на всей планете. Например, в Канаде, в районе Гудзонова залива сила притяжения ниже.
2. Когда космонавты возвращаются из космоса на нашу планету, в самом начале им сложно приспособиться к гравитационной силе земного шара. Иногда это занимает несколько месяцев.
3. Самой мощной силой гравитации среди космических объектов обладают чёрные дыры. Одна чёрная дыра размером с мячик имеет силу больше, чем любая планета.

Несмотря на непрекращающееся изучение силы притяжения, гравитация остается нераскрытой. Это означает, что научные знания остаются ограниченными и человечеству предстоит познать много нового.

Современное представление о гравитации

Научные исследования в области гравитации продолжаются. Теория относительности Эйнштейна объясняет некоторые аномалии в ньютоновской гравитации; однако открытия в атомной, ядерной физике и физике элементарных частиц показали, что ее нельзя отнести к взаимодействиям в квантовой физике. Проще говоря, эйнштейновская теория не работает в микромире. В связи с этим получило развитие направление «квантовой гравитации» или квантового описания гравитационного взаимодействия.

Однако теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности — опираются на разные наборы принципов. Первая описывает временну́ю эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. Во второй внешнего пространства-времени вообще нет — оно само является динамической переменной в теории.

В квантовой гравитации развиваются два основных направления — это теория струн и петлевая квантовая гравитация. В первой теории вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны.

Во второй делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону; пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Это маленькие квантовые ячейки пространства, которые определенным способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают дискретную структуру пространства, а в больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Предполагается, что именно петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, который предшествовал образованию Вселенной.

Сотрудники Университета штата Пенсильвания с 1980-х годов разрабатывают парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Она описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.

Существующая теория Большого взрыва, как уже говорилось, не объясняет, что было до зарождения Вселенной. Ученые из Пенсильвании придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из распада предыдущей вселенной. Для описания этого состояния они объединили квантовую механику и теорию относительности. Авторы работы утверждают, что смогли описать космическое излучение, которое возникло непосредственно после зарождения Вселенной. Они заявили, что в эйнштейновскую ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Именно это в будущем может позволить объяснить, почему галактики и материя распространены во Вселенной неравномерно.

В 1990-х годах астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это противоречит предсказаниям общей теории относительности, согласно которой гравитация должна замедлять расширение. Чтобы объяснить это явление, космологи начали ссылаться на «темную энергию», силу, которая составляет почти три четверти материи и энергии во Вселенной и поэтому раздвигает ее. Но происхождение темной энергии по сей день остается загадкой. Некоторые исследователи пытаются объяснить ускорение расширения Вселенной без темной энергии, предполагая, что если общая теория относительности неверна, а гравитация ослабевает в космических масштабах. Но до сих пор никто не придумал способ проверить данную теорию.

Существует и такое понятие как антигравитация — предполагаемое противодействие, которое гасит или даже превышает гравитационное притяжение путем отталкивания.

Нынешний подход к антигравитации заключается в том, чтобы освободить объект от действия силы тяжести, чтобы он какое-то время не был подвержен гравитации. Например, полет человека в аэродинамической трубе обеспечивается за счет того, что силе тяжести противодействует поток воздуха.

Полет в аэротрубе

(Фото: FlyStation)

Пока вопрос существования антигравитации как самостоятельного явления остается открытым, так как само явление гравитации только изучается.

Ускорение свободного падения

Чтобы математически верно и красиво прийти к ускорению свободного падения, нам необходимо сначала ввести понятие силы тяжести.

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает все тела.

На первый взгляд сила тяжести очень похожа на вес тела. Действительно, в состоянии покоя на поверхности Земли формулы силы тяжести и веса идентичны. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, умноженной на ускорение свободного падения, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Также важно понимать, что сила тяжести зависит исключительно от массы и планеты, на которой тело находится. А вес зависит еще и от ускорения, с которым движется тело или опора

Например, в лифте вес зависит от того, куда и с каким ускорением двигаются его пассажиры. А силе тяжести все равно, куда и что движется — она не зависит от внешних факторов.

На второй взгляд сила тяжести очень похожа на силу тяготения. В обоих случаях мы имеем дело с притяжением — значит, можем сказать, что это одно и то же. Практически.

Мы можем сказать, что это одно и то же, если речь идет о Земле и каком-то предмете, который к ней притягивается. Тогда мы можем даже приравнять эти силы и выразить формулу для ускорения свободного падения:

Приравниваем правые части:

Делим на массу тела левую и правую части:

Это и будет формула ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения для каждой планеты уникально.

Ускорение свободного падения характеризует то, как быстро увеличивается скорость тела при свободном падении.

Свободное падение — это ускоренное движение тела в безвоздушном пространстве, при котором на тело действует только сила тяжести.

Но разве это не зависит еще и от массы предмета?

Нет, не зависит. На самом деле все тела падают одинаково вне зависимости от массы. Если мы возьмем перо и мяч, то перо, конечно, будет падать медленнее, но не из-за ускорения свободного падения. Просто из-за небольшой массы пера сопротивление воздуха оказывает на него большее воздействие, чем на мяч. А вот если бы мы поместили перо и мяч в вакуум, они бы упали одновременно.

Закон всемирного тяготения

Только вдумайтесь в глобальность этих выводов! Сила, которая управляет брошенным камнем и сила, которая не даёт планетам «упасть» на Солнце – это одна и та же сила. Ньютон собрал эти наблюдения воедино и смог сформулировать закон всемирного тяготения.

Сила всемирного тяготения сообщает всем телам одно и то же ускорение независимо от их массы, поэтому она должна быть пропорциональна массе того тела, на которое действует: F=cm/r2.

Земля действует на Луну с силой, пропорциональной массе Луны. Следовательно, Луна по третьему закону Ньютона должна аналогичным образом влиять на Землю. Более того, эта сила должна быть пропорциональна массе нашей планеты.

Мы говорим, что сила тяготения – универсальная величина. Соответственно, со стороны одного тела на другое должна действовать аналогичная сила, пропорциональная массе этого другого тела. Получается, что сила всемирного тяготения должна быть пропорциональна произведению масс взаимодействующих объектов. Эти рассуждения и формируются в единый закон всемирного тяготения: сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: F=G(m₁m₂/r2), где G – гравитационная постоянная.

Гравитационная постоянная G численно равна силе притяжения между двумя килограммовыми материальными точками при расстоянии 1 м между ними. Если мы возьмём два тела с массой 1 кг и отодвинем их друг от друга на 1 м, то получим G=F.

Закон всемирного тяготения справедлив для материальных точек. Силы гравитационного взаимодействия сориентированы вдоль линии, которая соединяет эти две точки.

Можно взять два однородных шарообразных тела и посчитать степень их взаимодействия. В этом случае r – расстояние между центрами шаров. Силы взаимного притяжения должны лежать на одной прямой, которая проходит через центры этих шаров. Назовём эту силу центральной. Вообще, на Землю, как правило, падают объекты с размерами много меньшими, чем земной радиус (R=6400 км). Такие тела можно рассматривать как материальные точки и определять силу их притяжения к Земле с помощью вышеприведённой формулы.

Общая теория относительности

В стандартном подходе общей теории
относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально
не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления
пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация
интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время
рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой)
геометрии. Гравитационное поле (обобщение ньютоновского
гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным
метрическим полем или метрикой четырехмерного пространства-времени, а
напряженность гравитационного поля – с аффинной связностью
пространства-времени, определяемой метрикой. Стандартной задачей ОТО является определение компонент
метрического тензора, в совокупности задающих метрику пространства-времени, по
известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе
четырехмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать
движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в
данной системе.

В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а
также со стандартным фундаментальным обоснованием её
формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним
из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже
квадрупольного порядка.

Известно, что в ОТО
имеются затруднения с объяснением факта неинвариантности
энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором.
В недавней работе было показано, что принцип
эквивалентности не выполняется в отношении массы-энергии самого гравитационного
поля. В частности, гравитационная масса-энергия поля неподвижного тела, и
инертная масса-энергия поля движущегося с постоянной скоростью этого же тела не
совпадают друг с другом. Эта ситуация не объяснима в
ОТО. В классической ОТО также возникает проблема
описания спин-орбитального взаимодействия.

Считается, что в ОТО существуют определенные проблемы с однозначностью
результатов и обоснованием непротиворечивости. В самом деле, благодаря
предельной универсальности в выборе допустимых систем отсчёта ОТО сама по себе не может дать критерий того, является ли
теоретически выбранная заранее форма метрического тензора и система отсчёта
действительно правильно описывающими конкретную ситуацию (например, в Солнечной
системе). Решение Шварцшильда для метрики вокруг точечной массы калибруется по
условию её перехода на бесконечности в единичную метрику Минковского. Но
поскольку в решение для метрики не входит радиус точечной массы (а только
гравитационная масса, видимая из бесконечности), метрика Шварцшильда в любой
точке вблизи этой массы не обязательно является метрикой для реальных массивных
тел, обладающих радиусом и по-разному искривляющих пространство-время. Учёт
свойств конкретных массивных тел также не даёт желаемой однозначности
результатов для метрики.

Прогресс
в развитии ОТО отсутствовал также в
связи с тем, что эта теория долгое время была не аксиоматизирована, как
большинство других физических теорий. Построение систем аксиом позволило
ограничить область применимости ОТО и указать возможности для построения более
общих теорий.
Кроме этого была обнаружена несовместимость ОТО с квантовой механикой, включая
затруднения со вторичным квантованием уравнений
теории.

На
сегодняшний день существуют уже надёжно установленные и не объясняемые с
помощью ОТО экспериментальные результаты. К ним
относятся: эффект «Пионера»; flyby эффект; увеличение
астрономической единицы; квадрупольно-октупольная аномалия
фонового микроволнового излучения; тёмная энергия; тёмная материя.

Некоторые альтернативные
эйнштейновскому, но стандартные для современной физики, подходы к формулировке
теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в пределе слабого
поля, которое в основном и доступно экспериментальной проверке.

Что такое гравитация простыми словами лосяша. О важности величины G

Из школьного курса физики мы помним, что ускорение свободного падения на поверхности нашей планеты (гравитация Земли) равно 10 м/сек.² (9,8 разумеется, но для простоты расчетов используется это значение). Таким образом, если не принимать в расчет сопротивление воздуха (на существенной высоте при небольшом расстоянии падения), то получится эффект, когда тело приобретает приращение ускорения в 10 м/сек. ежесекундно. Так, книга, которая упала со второго этажа дома, к концу своего полета будет двигаться со скоростью 30-40 м/сек. Проще говоря, 10 м/с – это «скорость» гравитации в пределах Земли.

Ускорение свободного падения в физической литературе обозначается буквой «g». Так как форма Земли в известной степени больше напоминает мандарин, чем шар, значение этой величины далеко не во всех ее областях оказывается одинаковым. Так, у полюсов ускорение выше, а на вершинах высоких гор оно становится меньше.

Даже в добывающей промышленности не последнюю роль играет именно гравитация. Физика этого явления порой позволяет сэкономить много времени. Так, геологи особенно заинтересованы в идеально точном определении g, поскольку это позволяет с исключительной точностью производить разведку и нахождение залежей полезных ископаемых. Кстати, а как выглядит формула гравитации, в которой рассмотренная нами величина играет не последнюю роль? Вот она:

F=G x M1xM2/R2

Обратите внимание! В этом случае формула гравитации подразумевает под G «гравитационную постоянную», значение которой мы уже приводили выше. В свое время Ньютон сформулировал вышеизложенные принципы

Он прекрасно понимал и единство, и всеобщность силы тяготения, но все аспекты этого явления он описать не мог. Эта честь выпала на долю Альберта Эйнштейна, который смог объяснить также принцип эквивалентности. Именно ему человечество обязано современным пониманием самой природы пространственно-временного континуума

В свое время Ньютон сформулировал вышеизложенные принципы. Он прекрасно понимал и единство, и всеобщность силы тяготения, но все аспекты этого явления он описать не мог. Эта честь выпала на долю Альберта Эйнштейна, который смог объяснить также принцип эквивалентности. Именно ему человечество обязано современным пониманием самой природы пространственно-временного континуума.

Гравитационный коллапс

Гравитационным коллапсом может закончится жизнь очень массивной звезды. В ней больше нет топлива, из-за чего термоядерный процесс прекращается, устойчивость нарушается и происходит стремительное сжатие. Если внутреннее давление звезды справится с этим сжатием, небесное светило продолжит свое существование в качестве нейтронной звезды или вспыхнет как сверхновая.

Если же масса звезды окажется больше предела Оппенгеймера-Волкова, то после гравитационного коллапса она превратится в черную дыру. Если вы хотите знать точные цифры этого предела, то их пока не выяснили. Просто знайте, что это должно быть много… очень… неимоверно.

Равенство инертной и гравитационной масс

Гравитационные силы удивительны тем, что они сообщают все телам вне зависимости от их масс одно и то же ускорение. Если мы пнём какой-нибудь мяч или огромный слитую из тяжелого металла гирю, то ускорения будут неравнозначны. Но, если мы говорим о Земле, то она как раз сможет придать одинаковые ускорения двум совершенно разным предметам. Единственное, что отличает наше воздействие на мяч/гирю и воздействие Земли на все предметы – это длительность. Действие нашей планеты на нас продолжается непрерывно миллиарды лет.

Эти особенности гравитационных сил объясняются пропорциональностью масс обоих взаимодействующих тел. Масса тела, которая входит во второй закон Ньютона, определяет инертные свойства тела, то есть его способность приобретать некоторое ускорение под действием конкретной силы. Такая масса называется инертной (m_и). А масса, которая определяет способность тел притягивать друг к другу называется гравитационной массой (m_r).

Механика Ньютона не утверждает, что инертная и гравитационная массы равны (m_и= m_r). Такое равенство означает, что можно говорить о массе как о количественной мере инертных и гравитационных свойств.  

Выбери ответ

Классы

• 11 класс
• 10 класс
• 9 класс
• 8 класс
• 7 класс
• 6 класс
• 5 класс
• 4 класс
• 3 класс
• 2 класс
• 1 класс

Предметы

• Русский
• Общество
• История
• Математика
• Физика
• Литература
• Английский
• Информатика
• Химия
• Биология
• География

Онлайн-школы

• Умскул
• Учи Дома
• Фоксфорд
• Тетрика
• Skypro

Репетиторы по предметам

• Русский
• Общество
• История
• Математика
• Физика
• Литература
• Английский
• Информатика
• Химия
• Биология

Куда поступать?

• 10 лучших московских ВУЗов, о которых надо знать
• Рейтинг самых эффективных факультетов российских ВУЗов
• 10 критериев выбора ВУЗа и факультета
• Скидки на оплату обучения в ВУЗах Москвы
• Рейтинг самых востребованных ВУЗов для экономистов
• Сравнение ведущих технических ВУЗов России

Гравитационное излучение[править | править код]

Одним из предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако имеются косвенные наблюдательные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в двойной системе с пульсаром PSR B1913+16 — пульсаром Халса-Тейлора — хорошо согласуются с моделью, в которой эта энергия уносится гравитационным излучением.

Согласно ОТО, гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами. Мощность гравитационного i-польного источника пропорциональна  (vc)2i+2~(v/c)^{2i + 2}, если мультиполь имеет электрический тип, и  (vc)2i+4~(v/c)^{2i + 4} — если мультиполь магнитного типа, где v — характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c — скорость света. Таким образом, доминирующим моментом получается квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:
 L=15Gc5⟨d3Qijdt3d3Qijdt3⟩,~L = \frac{1}{5}\frac{G }{c^5}\langle \frac{d^3 Q_{ij}}{dt^3} \frac{d^3 Q^{ij}}{dt^3}\rangle ,
где  Qij~Q_{ij} — тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа  c5G=3,63×1052~\frac{c^5}{G } = 3,63 \times 10^{52} Вт позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Попытки прямого обнаружения гравитационного излучения предпринимаются с 1969 г. (эксперименты Вебера ). В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA, GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований «Дулкын» республики Татарстан.

Гравитация

Обобщив законы движения планет, Ньютон выяснил, что сила их взаимодействия может быть вычислена по формуле:

Где m₁ m₂ — массы взаимодействующих тел, R — расстояние между ними, а G – некий коэффициент пропорциональности, получивший название гравитационной постоянной. Слово «гравитация» подобрано абсолютно правильно, ведь происходит оно от слова «вес». Точное число постоянной Ньютону известно не было, гораздо позже значение G установил Кавендиш. Можно видеть, что на действие силы притяжения влияют массы тел и учитывается расстояние между ними. Никакие другие факторы на силу притяжения влиять не могут.

Новая теория гравитации и ключ к пониманию черных дыр

Все проблемы разрешились только тогда, когда Альберт Эйнштейн предложил новую теорию гравитации — намного сложнее ньютоновской. Эйнштейновское понимание гравитации объяснило не только поведение нарушителя законов Меркурия, но и дало ответы на вопросы о том, как гравитация распространяется, что за тайный сговор у нее с материей и что происходит вблизи черных дыр.

Черную дыру, как все знают, нельзя увидеть, потому что из нее совсем не выходит свет. Но о ее существовании можно догадаться, если что-то обращается вокруг нее. Направив телескоп в центр нашей галактики Млечный Путь, мы увидим там звезды, обращающиеся вокруг того, что кажется пустотой. Они не улетают прочь. Единственная сила, которая их может там держать, – это гравитация. Так был сделан вывод о том, что в центре нашей галактики находится черная дыра.

Большие и маленькие черные дыры — это созданные гравитацией закрытые области искореженного пространства. Они стирают свойства попавшей туда материи. Туда можно кидать вещество или антивещество, излучение и что угодно. От всего этого остаются только три свойства: масса, степень вращения и электрический заряд, если он есть. Все остальное навсегда скрыто под горизонтом событий.

Для тех, кто дочитал, — впечатляющие вау-факты о черных дырах. Если допустить сжатие Солнца, то получится скромная по размерам черная дыра — с радиусом горизонта чуть меньше 3 км. А если бы удалось сделать черную дыру, имеющую массу Земли, то радиус горизонта был бы около 9 мм. Всю массу Земли надо упаковать в столь маленький объем, чтобы получить крохотную, но полноценную черную дыру. В апреле 2019 года был получен первый снимок черной дыры в истории наблюдений. Она находится в галактике М87 и поистине огромна: масса — около 6,5 млрд масс Солнца, радиус горизонта — больше 100 расстояний от Солнца до Земли.

О гравитации и тайнах Вселенной можно говорить бесконечно. Но лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Смотрите новый проект «Гравитация. Главная сила» с Алексеем Семихатовым на канале «Наука»!

От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.