Tõmbejõu sõltuvus. Gravitatsioonijõud

Gravitatsioonijõud on jõud, millega teatud massiga kehad, mis asuvad üksteisest teatud kaugusel, tõmbuvad üksteise poole.

Inglise teadlane Isaac Newton avastas universaalse gravitatsiooni seaduse 1867. aastal. See on üks mehaanika põhiseadusi. Selle seaduse olemus on järgmine:mis tahes kaks materjaliosakest tõmbuvad üksteise külge jõuga, mis on otseselt võrdeline nende masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.

Gravitatsioonijõud on esimene jõud, mida inimene tunneb. See on jõud, millega Maa mõjutab kõiki selle pinnal asuvaid kehasid. Ja iga inimene tunneb seda jõudu oma raskusena.

Gravitatsiooni seadus

On legend, et Newton avastas universaalse gravitatsiooni seaduse täiesti juhuslikult, jalutades õhtul oma vanemate aias. Loomingulised inimesed on pidevalt otsingus ja teaduslikud avastused- see ei ole kohene arusaam, vaid pikaajalise vaimse töö vili. Õunapuu all istudes mõlgutas Newton teist ideed ja järsku kukkus talle pähe õun. Newton sai aru, et õun kukkus alla Maa gravitatsioonijõu mõjul. „Aga miks Kuu Maa peale ei kuku? - mõtles ta. "See tähendab, et sellele mõjub mõni muu jõud, mis hoiab seda orbiidil." Nii on kuulus universaalse gravitatsiooni seadus.

Varem taevakehade pöörlemist uurinud teadlased uskusid, et taevakehad järgivad mingeid täiesti erinevaid seadusi. See tähendab, et eeldati, et neid on absoluutselt erinevad seadused gravitatsioon Maa pinnal ja kosmoses.

Newton ühendas need pakutud gravitatsioonitüübid. Analüüsides Kepleri seadusi, mis kirjeldavad planeetide liikumist, jõudis ta järeldusele, et tõmbejõud tekib mistahes kehade vahel. See tähendab, et nii aeda kukkunud õunale kui ka kosmose planeetidele mõjuvad jõud, mis järgivad sama seadust – universaalse gravitatsiooni seadust.

Newton tegi kindlaks, et Kepleri seadused kehtivad ainult siis, kui planeetide vahel on tõmbejõud. Ja see jõud on otseselt võrdeline planeetide massiga ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.

Tõmbejõud arvutatakse valemiga F=G m 1 m 2 / r 2

m 1 – esimese keha mass;

m 2– teise keha mass;

r – kehadevaheline kaugus;

G – proportsionaalsuskoefitsient, mida nimetatakse gravitatsioonikonstant või universaalse gravitatsiooni konstant.

Selle väärtus määrati eksperimentaalselt. G= 6,67 10 -11 Nm 2 /kg 2

Kui kaks materiaalset punkti, mille mass on võrdne ühiku massiga, asuvad ühikulise vahemaa kaugusel, tõmbuvad nad kokku jõuga, mis on võrdne G.

Tõmbejõud on gravitatsioonijõud. Neid kutsutakse ka gravitatsioonijõud. Need alluvad universaalse gravitatsiooni seadusele ja ilmuvad kõikjal, kuna kõigil kehadel on mass.

Gravitatsioon

Maapinna lähedal olev gravitatsioonijõud on jõud, millega kõik kehad Maa poole tõmbavad. Nad kutsuvad teda gravitatsiooni. Seda peetakse konstantseks, kui keha kaugus Maa pinnast on Maa raadiusega võrreldes väike.

Kuna gravitatsioon, mis on gravitatsioonijõud, sõltub planeedi massist ja raadiusest, on see erinevatel planeetidel erinev. Kuna Kuu raadius on väiksem kui Maa raadius, on Kuu gravitatsioonijõud 6 korda väiksem kui Maal. Seevastu Jupiteril on gravitatsioonijõud 2,4 korda suurem kui gravitatsioonijõud Maal. Kuid kehakaal jääb muutumatuks, olenemata sellest, kus seda mõõdetakse.

Paljud inimesed ajavad segamini raskuse ja gravitatsiooni tähenduse, arvates, et gravitatsioon on alati võrdne kaaluga. Aga see pole tõsi.

Jõud, millega kere toele surub või vedrustust venitab, on kaal. Kui eemaldate toe või vedrustuse, hakkab kere kiirendusega langema vabalangemine gravitatsiooni mõjul. Raskusjõud on võrdeline keha massiga. See arvutatakse valemigaF= m g , Kus m- kehakaal, g – gravitatsiooni kiirendus.

Kehakaal võib muutuda ja mõnikord üldse kaduda. Kujutagem ette, et oleme ülemisel korrusel asuvas liftis. Lift on seda väärt. Praegusel hetkel on meie kaal P ja gravitatsioonijõud F, millega Maa meid tõmbab, võrdsed. Kuid niipea, kui lift hakkas kiirendusega allapoole liikuma A , kaal ja gravitatsioon ei ole enam võrdsed. Newtoni teise seaduse järgimg+ P = ma. Р =m g -ma.

Valemist on selgelt näha, et meie kaal langes allapoole liikudes.

Sel hetkel, kui lift hoogu võttis ja kiirenduseta liikuma hakkas, on meie kaal taas võrdne gravitatsiooniga. Ja kui lift hakkas aeglustuma, siis kiirendus A muutus negatiivseks ja kaal tõusis. Tekib ülekoormus.

Ja kui keha liigub vabalangemise kiirendusega allapoole, muutub kaal täielikult nulliks.

Kell a=g R= mg-ma = mg - mg = 0

See on kaaluta olek.

Seega järgivad eranditult kõik universumi materiaalsed kehad universaalse gravitatsiooni seadust. Ja planeedid ümber Päikese ja kõik kehad, mis asuvad Maa pinna lähedal.

16.–17. sajandit nimetavad paljud õigustatult üheks maailma hiilgavamaks perioodiks. Just sel ajal pandi suures osas alus, ilma milleta oleks selle teaduse edasine areng olnud lihtsalt mõeldamatu. Kopernik, Galileo, Kepler tegid suurepärast tööd, et luua füüsika kui teadus, mis suudab vastata peaaegu igale küsimusele. Terves avastustes eristub universaalse gravitatsiooni seadus, mille lõplik sõnastus kuulub silmapaistvale inglise teadlasele Isaac Newtonile.

Selle teadlase töö peamine tähtsus ei seisnenud universaalse gravitatsioonijõu avastamises – nii Galileo kui Kepler rääkisid selle suuruse olemasolust juba enne Newtonit, vaid selles, et ta oli esimene, kes tõestas, et samad jõud toimivad. nii Maal kui ka kosmoses samad kehade vastasmõju jõud.

Newton kinnitas praktikas ja põhjendas teoreetiliselt tõsiasja, et absoluutselt kõik universumi kehad, sealhulgas need, mis asuvad Maal, suhtlevad üksteisega. Seda interaktsiooni nimetatakse gravitatsiooniks, samas kui universaalse gravitatsiooni protsessi ennast nimetatakse gravitatsiooniks.
See interaktsioon toimub kehade vahel, kuna on olemas eriline, erinevat tüüpi aine, mida teaduses nimetatakse gravitatsiooniväljaks. See väli eksisteerib ja töötab absoluutselt iga objekti ümber ning selle eest pole kaitset, kuna sellel on ainulaadne võime tungida läbi mis tahes materjali.

Universaalse gravitatsiooni jõud, mille määratlus ja sõnastus anti, sõltub otseselt vastastikku mõjutavate kehade masside korrutisest ja pöördvõrdeliselt nende objektide vahelise kauguse ruudust. Newtoni arvamuse kohaselt, mida vaieldamatult kinnitavad praktilised uuringud, leitakse universaalse gravitatsioonijõud järgmise valemi järgi:

Selles eriline tähendus kuulub gravitatsioonikonstandi G, mis on ligikaudu võrdne 6,67*10-11(N*m2)/kg2.

Universaalse gravitatsiooni jõud, millega kehad Maa poole tõmbavad, on Newtoni seaduse erijuht ja seda nimetatakse gravitatsiooniks. IN antud juhul Gravitatsioonikonstandi ja Maa enda massi võib tähelepanuta jätta, seega näeb gravitatsioonijõu leidmise valem välja järgmine:

Siin ei ole g midagi muud kui kiirendus, mille arvväärtus on ligikaudu võrdne 9,8 m/s2.

Newtoni seadus ei selgita mitte ainult otseselt Maal toimuvaid protsesse, vaid vastab paljudele küsimustele, mis on seotud kogu maa struktuuriga. päikesesüsteem. Eelkõige on universaalse gravitatsiooni jõul otsustav mõju planeetide liikumisele nende orbiitidel. Selle liikumise teoreetilise kirjelduse andis Kepler, kuid selle õigustamine sai võimalikuks alles pärast seda, kui Newton sõnastas oma. kuulus seadus.

Newton ise seostas maapealse ja maavälise gravitatsiooni nähtustega lihtne näide: Tulistamisel ei lenda see otse, vaid mööda kaarjat trajektoori. Veelgi enam, püssirohu laengu ja südamiku massi suurenemisega lendab viimane üha kaugemale. Lõpuks, kui eeldada, et on võimalik hankida nii palju püssirohtu ja konstrueerida selline kahur nii, et kahurikuul lendab ümber maakera, siis pärast seda liikumist see ei peatu, vaid jätkab ringikujulist (ellipsoidset) liikumist, muutudes kunstlikuks Selle tulemusena on universaalse gravitatsiooni jõud nii Maal kui ka kosmoses looduses sama.

Miks kukub su käest vabanenud kivi Maale? Kuna teda tõmbab Maa, ütleb igaüks teist. Tegelikult langeb kivi Maale gravitatsioonikiirendusega. Järelikult mõjub kivile Maa poolelt Maa poole suunatud jõud. Newtoni kolmanda seaduse järgi mõjub kivi Maale samasuuruse kivi poole suunatud jõuga. Teisisõnu, jõud toimivad Maa ja kivi vahel vastastikune külgetõmme.

Newton oli esimene, kes esmalt arvas ja seejärel rangelt tõestas, et põhjus, mis põhjustab kivi Maale kukkumise, Kuu liikumise ümber Maa ja planeetide ümber Päikese on sama. See on gravitatsioonijõud, mis toimib universumi mis tahes kehade vahel. Siin on tema arutluskäik, mis on antud Newtoni põhitöös "Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted":

“Risontaalselt visatud kivi kaldub gravitatsiooni mõjul sirgelt teelt kõrvale ja, kirjeldades kõverat trajektoori, kukub lõpuks Maale. Kui visata seda suuremal kiirusel, kukub see veelgi” (joon. 1).

Neid argumente jätkates jõuab Newton järeldusele, et kui poleks õhutakistust, siis võib kõrgelt mäelt teatud kiirusega visatud kivi trajektoor kujuneda selliseks, et see ei jõuaks üldse kunagi Maa pinnale, kuid liiguks selle ümber "nagu "kuidas planeedid kirjeldavad oma orbiite taevaruumis".

Nüüd oleme satelliitide liikumisega ümber Maa nii tuttavaks saanud, et pole vaja Newtoni mõtet lähemalt seletada.

Niisiis on Newtoni järgi Kuu liikumine ümber Maa või planeetide liikumine ümber Päikese samuti vabalangemine, kuid ainult kukkumine, mis kestab peatumata miljardeid aastaid. Sellise “langemise” (olgu me tõesti räägime tavalise kivi kukkumisest Maale või planeetide liikumisest nende orbiitidel) põhjuseks on universaalne gravitatsioonijõud. Millest see jõud sõltub?

Gravitatsioonijõu sõltuvus kehade massist

Galileo tõestas, et vaba langemise ajal annab Maa kõikidele antud kohas asuvatele kehadele ühesuguse kiirenduse, olenemata nende massist. Kuid Newtoni teise seaduse järgi on kiirendus pöördvõrdeline massiga. Kuidas seletada, et kiirendus, mille Maa gravitatsioonijõud annab kehale, on kõigi kehade puhul sama? See on võimalik ainult siis, kui Maa poole mõjuv gravitatsioonijõud on otseselt võrdeline keha massiga. Sel juhul toob massi m suurendamine näiteks kahekordistades kaasa jõumooduli suurenemise F samuti kahekordistub ja kiirendus, mis on võrdne \(a = \frac (F)(m)\), jääb muutumatuks. Üldistades seda järeldust mis tahes kehade vaheliste gravitatsioonijõudude kohta, järeldame, et universaalne gravitatsioonijõud on otseselt võrdeline selle keha massiga, millele see jõud mõjub.

Kuid vastastikuses tõmbes osalevad vähemalt kaks keha. Newtoni kolmanda seaduse kohaselt mõjutavad kõik neist võrdse suurusega gravitatsioonijõud. Seetõttu peavad kõik need jõud olema võrdelised nii ühe keha massiga kui ka teise keha massiga. Seetõttu on kahe keha vaheline universaalne gravitatsioonijõud otseselt võrdeline nende masside korrutisega:

\(F \sim m_1 \cdot m_2\)

Gravitatsioonijõu sõltuvus kehadevahelisest kaugusest

Kogemustest on hästi teada, et raskuskiirendus on 9,8 m/s 2 ja sama on ka 1, 10 ja 100 m kõrguselt kukkuvate kehade puhul, s.t ei sõltu keha ja Maa vahelisest kaugusest. . See näib tähendavat, et jõud ei sõltu kaugusest. Kuid Newton uskus, et kaugusi tuleb lugeda mitte pinnast, vaid Maa keskpunktist. Kuid Maa raadius on 6400 km. On selge, et mitmekümne, sadade või isegi tuhandete meetrite kõrgusel Maa pinnast ei saa gravitatsioonikiirenduse väärtust märgatavalt muuta.

Et teada saada, kuidas kehade vaheline kaugus mõjutab nende vastastikuse tõmbetugevust, oleks vaja välja selgitada, milline on Maast kaugel olevate kehade kiirendus piisavalt suurtel kaugustel. Keha vaba langemist tuhandete kilomeetrite kõrguselt Maa kohalt on aga raske jälgida ja uurida. Kuid loodus ise tuli siin appi ja võimaldas määrata ümber Maa ringi liikuva ja seetõttu tsentripetaalset kiirendust omava keha kiirenduse, mille põhjustas loomulikult sama Maa külgetõmbejõud. Selline keha on Maa looduslik satelliit - Kuu. Kui Maa ja Kuu vaheline tõmbejõud ei sõltuks nendevahelisest kaugusest, siis oleks Kuu tsentripetaalne kiirendus sama suur kui Maa pinna lähedale vabalt langeva keha kiirendus. Tegelikkuses on Kuu tsentripetaalne kiirendus 0,0027 m/s 2 .

Tõestame seda. Kuu pöörlemine ümber Maa toimub nendevahelise gravitatsioonijõu mõjul. Ligikaudu võib Kuu orbiiti pidada ringiks. Järelikult annab Maa Kuule tsentripetaalse kiirenduse. See arvutatakse valemiga \(a = \frac (4 \pi^2 \cdot R)(T^2)\), kus R– Kuu orbiidi raadius, mis on võrdne ligikaudu 60 Maa raadiusega, T≈ 27 päeva 7 tundi 43 minutit ≈ 2,4∙10 6 s – Kuu tiirlemise periood ümber Maa. Arvestades, et Maa raadius R z ≈ 6,4∙10 6 m, leiame, et Kuu tsentripetaalne kiirendus on võrdne:

\(a = \frac (4 \pi^2 \cdot 60 \cdot 6,4 \cdot 10^6)((2,4 \cdot 10^6)^2) \ligikaudu 0,0027\) m/s 2.

Leitud kiirenduse väärtus on ligikaudu 3600 = 60 2 korda väiksem kui kehade vabalangemise kiirendus Maa pinnal (9,8 m/s 2).

Seega viis keha ja Maa vahelise kauguse suurenemine 60 korda raskuskiirenduse ja järelikult ka gravitatsioonijõu enda vähenemiseni 60 2 korda.

See viib olulise järelduseni: raskusjõu poolt kehadele Maa suunas antav kiirendus väheneb pöördvõrdeliselt Maa keskpunkti kauguse ruuduga

\(F \sim \frac (1)(R^2)\).

Gravitatsiooni seadus

1667. aastal sõnastas Newton lõpuks universaalse gravitatsiooni seaduse:

\(F = G \cdot \frac (m_1 \cdot m_2)(R^2).\quad (1)\)

Kahe keha vastastikuse tõmbejõud on võrdeline nende kehade masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.

Proportsionaalsustegur G helistas gravitatsioonikonstant.

Gravitatsiooni seadus kehtib ainult kehadele, mille mõõtmed on nendevahelise kaugusega võrreldes tühised. Teisisõnu, see on ainult õiglane materiaalsete punktide jaoks. Sel juhul on gravitatsioonilised vastasmõju jõud suunatud piki neid punkte ühendavat joont (joonis 2). Sellist jõudu nimetatakse keskseks.

Antud kehale teiselt kehalt mõjuva gravitatsioonijõu leidmiseks juhul, kui kehade suurusi ei saa tähelepanuta jätta, toimige järgmiselt. Mõlemad kehad jagunevad vaimselt nii väikesteks elementideks, et igaüht neist võib pidada punktiks. Liides kokku antud keha igale elemendile mõjuvad gravitatsioonijõud teise keha kõikidest elementidest, saame sellele elemendile mõjuva jõu (joonis 3). Olles sooritanud sellise toimingu antud keha iga elemendi jaoks ja liites tekkivad jõud, leiavad nad täie jõuga sellele kehale mõjuv gravitatsioon. See ülesanne on raske.

Siiski on üks praktiliselt oluline juhtum, kui valem (1) on rakendatav laiendatud kehadele. On võimalik tõestada, et sfäärilised kehad, mille tihedus sõltub ainult nende keskpunktide kaugustest, koos nendevahelise kaugusega, suured kogused nende raadiused tõmbavad jõududega, mille moodulid on määratud valemiga (1). Sel juhul R on kuulide keskpunktide vaheline kaugus.

Ja lõpuks, kuna Maale langevate kehade suurusi on palju väiksemad suurused Maa, siis võib neid kehasid pidada punktkehadeks. Siis all R valemis (1) tuleks mõista kaugust antud kehast Maa keskpunktini.

Kõikide kehade vahel eksisteerivad vastastikused tõmbejõud, mis sõltuvad kehadest endist (nende massist) ja nendevahelisest kaugusest.

Gravitatsioonikonstandi füüsiline tähendus

Valemist (1) leiame

\(G = F \cdot \frac (R^2) (m_1 \cdot m_2)\).

Sellest järeldub, et kui kehade vaheline kaugus on arvuliselt võrdne ühtsusega ( R= 1 m) ja vastastikmõjus olevate kehade massid on samuti võrdsed ühtsusega ( m 1 = m 2 = 1 kg), siis on gravitatsioonikonstant arvuliselt võrdne jõumooduliga F. Seega ( füüsiline tähendus ),

gravitatsioonikonstant on arvuliselt võrdne gravitatsioonijõu mooduliga, mis mõjub 1 kg massiga kehale teisest sama massiga kehast 1 m kaugusel..

SI-s väljendatakse gravitatsioonikonstanti kujul

Cavendishi kogemus

Gravitatsioonikonstandi väärtus G saab leida ainult katseliselt. Selleks peate mõõtma gravitatsioonijõu moodulit F, mõjudes kehale massi järgi m 1 massilise keha küljelt m 2 kl teadaolev kaugus R kehade vahel.

Esimesed gravitatsioonikonstandi mõõtmised tehti 18. sajandi keskel. Hinnake väärtust, kuigi väga ligikaudselt G tol ajal oli see võimalik pendli külgetõmbe kaalumise tulemusena mäele, mille mass määrati geoloogiliste meetoditega.

Gravitatsioonikonstandi täpsed mõõtmised teostas esmakordselt 1798. aastal inglise füüsik G. Cavendish, kasutades instrumenti, mida nimetatakse torsioonkaaluks. Väändekaalu on skemaatiliselt näidatud joonisel 4.

Cavendish kinnitas kaks väikest pliipalli (5 cm läbimõõduga ja massiga m 1 = igaüks 775 g) kahemeetrise varda vastasotstes. Varras riputati peenikese traadi külge. Selle traadi jaoks määrati eelnevalt kindlaks elastsusjõud, mis tekivad selles erinevate nurkade all keeramisel. Kaks suurt pliist kuuli (20 cm läbimõõduga ja kaaluga m 2 = 49,5 kg) võiks tuua väikeste pallide lähedale. Tõmbejõud väljastpoolt suured pallid pani väikesed pallid nende poole liikuma, samal ajal kui venitatud traat veidi keerdus. Väändeaste oli kuulide vahel mõjuva jõu mõõt. Traadi keerdumisnurk (või väikeste kuulidega varda pöörlemine) osutus nii väikeseks, et seda tuli mõõta optilise toru abil. Cavendishi saadud tulemus erineb tänapäeval aktsepteeritud gravitatsioonikonstandi väärtusest vaid 1% võrra:

G ≈ 6,67∙10 -11 (N∙m 2)/kg 2

Seega on kahe teineteisest 1 m kaugusel asuva 1 kg kaaluva keha tõmbejõud moodulites võrdsed vaid 6,67∙10 -11 N. See on väga väike jõud. Ainult siis, kui tohutu massiga kehad interakteeruvad (või vähemalt ühe keha mass on suur), muutub gravitatsioonijõud suureks. Näiteks Maa tõmbab Kuud enda poole jõuga F≈ 2∙10 20 N.

Gravitatsioonijõud on kõigist loodusjõududest "nõrgemad". See on tingitud asjaolust, et gravitatsioonikonstant on väike. Kuid suurte kosmiliste kehade masside korral muutuvad universaalse gravitatsiooni jõud väga suureks. Need jõud hoiavad kõiki planeete Päikese lähedal.

Universaalse gravitatsiooni seaduse tähendus

Universaalse gravitatsiooni seadus on taevamehaanika – planeetide liikumise teaduse – aluseks. Selle seaduse abil määratakse suure täpsusega ette taevakehade asukohad taevalaotuses paljudeks aastakümneteks ja arvutatakse välja nende trajektoorid. Universaalse gravitatsiooni seadust kasutatakse ka Maa tehissatelliitide ja planeetidevaheliste automaatsõidukite liikumise arvutamisel.

Planeetide liikumise häired. Planeedid ei liigu rangelt Kepleri seaduste järgi. Kepleri seadusi järgitaks rangelt antud planeedi liikumisel ainult siis, kui see üks planeet tiirleb ümber Päikese. Kuid Päikesesüsteemis on palju planeete, neid kõiki tõmbab nii Päike kui ka üksteist. Seetõttu tekivad planeetide liikumises häired. Päikesesüsteemis on häired väikesed, kuna planeedi külgetõmme Päikese poolt on palju tugevam kui teiste planeetide külgetõmme. Planeetide näivate asukohtade arvutamisel tuleb arvestada häiretega. Tehistaevakehade käivitamisel ja nende trajektooride arvutamisel kasutatakse ligikaudset taevakehade liikumise teooriat - häirete teooriat.

Neptuuni avastamine. Üks neist eredaid näiteid Universaalse gravitatsiooniseaduse võidukäik on planeedi Neptuuni avastamine. 1781. aastal avastas inglise astronoom William Herschel planeedi Uraan. Arvutati välja selle orbiit ja koostati tabel selle planeedi asukohtade kohta paljudeks aastateks. Selle tabeli 1840. aastal tehtud kontroll näitas aga, et selle andmed erinevad tegelikkusest.

Teadlased on väitnud, et Uraani liikumise kõrvalekalde põhjuseks on tundmatu planeedi ligitõmbamine, mis asub Päikesest veelgi kaugemal kui Uraan. Teades kõrvalekaldeid arvutatud trajektoorist (häired Uraani liikumises), arvutasid inglane Adams ja prantslane Leverrier universaalse gravitatsiooni seadust kasutades välja selle planeedi asukoha taevas. Adams lõpetas oma arvutused varakult, kuid vaatlejad, kellele ta oma tulemused edastas, ei kiirustanud kontrollimisega. Vahepeal näitas Leverrier, olles oma arvutused lõpetanud, Saksa astronoomile Hallele koha, kust tundmatut planeeti otsida. Kohe esimesel õhtul, 28. septembril 1846 avastas Halle teleskoopi näidatud kohta suunates uus planeet. Ta sai nimeks Neptuun.

Samamoodi avastati 14. märtsil 1930 planeet Pluuto. Mõlemad avastused tehti väidetavalt "pliiatsi otsas".

Universaalse gravitatsiooni seaduse abil saate arvutada planeetide ja nende satelliitide massi; selgitada selliseid nähtusi nagu vee mõõn ja vool ookeanides ja palju muud.

Universaalse gravitatsiooni jõud on kõigist loodusjõududest kõige universaalsemad. Nad toimivad kõigi kehade vahel, millel on mass, ja kõigil kehadel on mass. Gravitatsioonijõududele ei ole takistusi. Nad toimivad läbi mis tahes keha.

Kirjandus

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Füüsika: õpik. 9. klassi jaoks. keskm. kool – M.: Haridus, 1992. – 191 lk.
2. Füüsika: mehaanika. 10. klass: Õpik. Sest süvaõpe füüsikud / M.M. Balashov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky ja teised; Ed. G.Ya. Mjakiševa. – M.: Bustard, 2002. – 496 lk.

Mitte ainult kõige salapärasem loodusjõud, aga ka kõige võimsam.

Inimene arenguteel

Ajalooliselt on see nii välja kujunenud Inimene kui see edasi liigub edenemise viisid valdas üha võimsamaid loodusjõude. Ta alustas siis, kui tal polnud muud kui kepp rusikas ja enda füüsiline jõud.

Kuid ta oli tark ja tõi oma teenistusse loomade füüsilise jõu, muutes nad koduseks. Hobune kiirendas jooksu, kaamel muutis kõrbe läbitavaks, elevant muutis soise džungli. Aga füüsiline jõud ka kõige tugevamad loomad on loodusjõudude ees mõõtmatult nõrgad.

Inimene oli esimene, kes allutas tule elemendi, kuid ainult selle kõige nõrgemates versioonides. Alguses - palju sajandeid - kasutas ta kütusena ainult puitu - väga madala energiatarbega kütust. Sellest energiaallikast mõnevõrra hiljem õppis ta tuuleenergiat kasutama, õhku tõstetud mees valge tiib purjed – ja kerge laev lendas linnuna üle lainete.

Purjekas lainetel

Ta paljastas veski labad tuuleiilide kätte – ja veskikivide rasked kivid hakkasid keerlema ​​ja veskite nuiad ragisema. Kuid kõigile on selge, et õhujugade energia pole kaugeltki kontsentreeritud. Lisaks kartsid nii puri kui tuulik tuulelööke: torm rebis purjed ja uputas laevad, torm murdis tiivad ja pani veskid ümber.

Veel hiljem hakkas inimene voolavat vett vallutama. Ratas pole mitte ainult kõige primitiivsem seadmetest, mis on võimeline muutma vee energiat pöörlevaks liikumiseks, vaid ka kõige vähem võimsam võrreldes erinevate tüüpidega.

Inimene kõndis aina edasi mööda progressi redelit ja vajas aina rohkem energiat.
Ta hakkas kasutama uut tüüpi kütust - juba üleminek kivisöe põletamisele suurendas kilogrammi kütuse energiaintensiivsust 2500 kcal-lt 7000 kcal-ni - peaaegu kolm korda. Siis saabus nafta ja gaasi aeg. Iga fossiilkütuse kilogrammi energiasisaldus on taas kasvanud poolteist kuni kaks korda.

Aurumootorid asendasid auruturbiinid; veski rattad asendati hüdroturbiinidega. Järgmisena ulatas mees käe lõhustuvale uraani aatomile. Uut tüüpi energia esmakordne kasutamine oli aga traagilised tagajärjed- Hiroshima tuumapõleng 1945. aastal põletas mõne minutiga 70 tuhat inimsüda.

1954. aastal läks tööle maailma esimene Nõukogude tuumaelektrijaam, mis muutis uraani võimsuse elektrivoolu kiirgavaks jõuks. Ja tuleb märkida, et kilogramm uraani sisaldab kaks miljonit korda rohkem energiat kui kilogramm parimat naftat.

See oli põhimõtteliselt uus tulekahju, mida võiks nimetada füüsiliseks, sest just füüsikud uurisid protsesse, mis viisid selliste vapustavate energiakoguste tekkeni.
Uraan ei ole ainus tuumakütus. Juba kasutatakse võimsamat kütuseliiki – vesiniku isotoope.

Kahjuks pole inimene veel suutnud allutada vesiniku-heeliumi tuumaleeki. Ta teab, kuidas oma kõikepõlevat tuld hetkeks süüdata, süüdates vesinikupommis reaktsiooni uraani plahvatuse sähvatusega. Kuid teadlased näevad ka üha lähemale jõudvat vesinikureaktorit, mis tekitab vesiniku isotoopide tuumade heeliumi tuumadeks sulamise tulemusena elektrivoolu.

Jällegi suureneb energiahulk, mida inimene saab igast kütusekilost võtta, peaaegu kümme korda. Kuid kas see samm on viimane inimkonna võimule loodusjõudude üle tulevases ajaloos?

Ei! Ees ootab energia gravitatsioonivormi valdamine. See on looduse poolt isegi kaalutletumalt pakitud kui isegi vesiniku-heeliumi sulandumise energia. Tänapäeval on see kõige kontsentreeritum energiavorm, mida inimene võib isegi ette kujutada.

Midagi kaugemale pole seal veel näha, peale teaduse tipptaseme. Ja kuigi võime kindlalt väita, et elektrijaamad töötavad inimeste jaoks, muutes gravitatsioonienergia elektrivooluks (ja võib-olla ka reaktiivmootori düüsist väljuvaks gaasivooluks või üldlevinud räni ja hapniku aatomite kavandatud muundumiseks). üliharuldaste metallide aatomiteks), Sellise elektrijaama detailide kohta (rakettmootor, füüsiline reaktor) ei oska me veel midagi öelda.

Universaalse gravitatsiooni jõud galaktikate sünni alguses

Universaalse gravitatsiooni jõud on galaktikate sünni algallikas täheeelsest mateeriast, nagu on veendunud akadeemik V. A. Ambartsumyan. See kustutab tähed, mis on oma aja ära põletanud, kuna nad on ära kasutanud sündides saadud tähekütuse.

Vaadake enda ümber: kõike siin Maal juhib suuresti see jõud.

Just see määrab meie planeedi kihilise struktuuri – litosfääri, hüdrosfääri ja atmosfääri vaheldumise. Tema on see, kes seda all hoiab paks kihtõhugaasid, mille põhjas ja tänu millele me kõik eksisteerime.

Ilma gravitatsioonita kukuks Maa kohe oma orbiidilt ümber Päikese välja ja maakera ise laguneks tsentrifugaaljõudude poolt rebituna. Raske on leida midagi, mis ühel või teisel määral ei sõltuks universaalsest gravitatsioonijõust.

Muidugi ei saanud muistsed filosoofid, väga tähelepanelikud inimesed, märkamata jätta, et üles visatud kivi tuleb alati tagasi. Platon 4. sajandil eKr selgitas seda sellega, et kõik Universumi ained kipuvad sinna, kuhu on koondunud suurem osa sarnastest ainetest: visatud kivi kukub maapinnale või läheb põhja, mahaloksunud vesi imbub lähimasse tiiki või jõgi suundub merre, tule suits tormab oma hõimupilvede poole.

Platoni õpilane Aristoteles selgitas, et kõigil kehadel on erilised omadused raskus ja kergus. Rasked kehad - kivid, metallid - tormavad Universumi keskmesse, kerged kehad - tuli, suits, aurud - perifeeriasse. See hüpotees, mis selgitab mõningaid universaalse gravitatsioonijõuga seotud nähtusi, on eksisteerinud rohkem kui 2 tuhat aastat.

Teadlased universaalse gravitatsioonijõu kohta

Tõenäoliselt esimene, kes tõstatas küsimuse universaalne raskusjõud tõeliselt teaduslikult oli olemas renessansiajastu geenius – Leonardo da Vinci. Leonardo kuulutas, et gravitatsioon ei ole Maale ainulaadne, raskuskeskmeid on palju. Ja väljendas ka mõtet, et raskusjõud sõltub kaugusest raskuskeskmesse.

Koperniku, Galileo, Kepleri, Robert Hooke'i teosed tõid universaalse gravitatsiooniseaduse ideele üha lähemale, kuid lõplikus sõnastuses seostatakse seda seadust igavesti Isaac Newtoni nimega.

Isaac Newton universaalse gravitatsioonijõu kohta

Sündis 4. jaanuaril 1643. aastal. Ta lõpetas Cambridge'i ülikooli, sai bakalaureuse-, seejärel magistriks.

Kõik järgnev on lõputu hulk teaduslikku tööd. Kuid tema peamine töö on "Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted", mis avaldati 1687. aastal ja mida tavaliselt nimetatakse lihtsalt "põhimõteteks". Nendes sõnastatakse suur. Küllap kõik mäletavad teda keskkooliajast.

Kõik kehad tõmbavad üksteist jõuga, mis on otseselt võrdeline nende kehade masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga...

Mõned selle sõnastuse sätted suutsid ette näha Newtoni eelkäijaid, kuid kellelgi polnud kunagi õnnestunud seda täielikult saavutada. Newtoni geenius võttis need killud üheks tervikuks kokku, et laiendada Maa gravitatsiooni Kuule ja Päikese raskust kogu planeedisüsteemile.

Universaalse gravitatsiooni seadusest tuletas Newton kõik Kepleri poolt varem avastatud planeetide liikumise seadused. Need osutusid lihtsalt selle tagajärgedeks. Veelgi enam, Newton näitas, et mitte ainult Kepleri seadused, vaid ka kõrvalekalded nendest seadustest (kolme või enama keha maailmas) on universaalse gravitatsiooni tagajärg... See oli teaduse suur triumf.

Tundus, et lõpuks on avastatud ja matemaatiliselt kirjeldatud peamine loodusjõud, mis maailmu liigutab, jõud, mis juhib õhumolekule, õunu ja Päikest. Newtoni samm oli hiiglaslik, mõõtmatult tohutu.

Särava teadlase tööde esimene populariseerija prantsuse kirjanik Pseudonüümi Voltaire all maailmakuulus François Marie Arouet ütles, et Newton mõistis ootamatult temanimelise seaduse olemasolu, kui vaatas kukkuvat õuna.

Newton ise ei maininud seda õuna kunagi. Ja vaevalt tasub täna selle ümberlükkamiseks aega raisata ilus legend. Ja ilmselt mõistis Newton looduse suurt jõudu loogilise arutlemise kaudu. Tõenäoliselt lisati just see „Alguste“ vastavasse peatükki.

Universaalse gravitatsiooni jõud mõjutab tuuma lendu

Oletame, et väga kõrgele mäele, nii kõrgele, et selle tipp pole enam atmosfääris, paigaldasime hiiglasliku suurtükiväe. Selle tünn asetati rangelt paralleelselt maakera pinnaga ja tulistati. Olles kirjeldanud kaare, tuum langeb Maale.

Suurendame laengut, parandame püssirohu kvaliteeti ja ühel või teisel moel sunnime kahuri kuuli järgmise lasu järel suurema kiirusega liikuma. Südamiku poolt kirjeldatud kaar muutub lamedamaks. Tuum langeb meie mäe jalamilt palju kaugemale.

Suurendame ka laengut ja tulistame. Tuum lendab mööda nii tasast trajektoori, et laskub maakera pinnaga paralleelselt alla. Tuum ei saa enam Maale langeda: sama kiirusega, millega see väheneb, pääseb Maa selle alt välja. Ja olles kirjeldanud meie planeeti ümbritsevat rõngast, naaseb tuum lähtepunkti.

Vahepeal saab relva eemaldada. Tuuma lend ümber maakera võtab ju aega üle tunni. Ja siis lendab tuum kiiresti üle mäetipu ja asub uuele lennule ümber Maa. Kui südamik, nagu kokku leppisime, õhutakistust ei tunne, ei saa see kunagi alla kukkuda.

Selleks peaks põhikiirus olema 8 km/sek lähedal. Mis siis, kui suurendame tuuma lennu kiirust? Esmalt lendab see maapinna kumerusest lamedam kaarekujuliselt ja hakkab Maast eemalduma. Samal ajal väheneb selle kiirus Maa gravitatsiooni mõjul.

Ja lõpuks, ümber pöörates, hakkab see Maale tagasi langema, kuid lendab sellest mööda ja sulgeb mitte ringi, vaid ellipsi. Tuum hakkab ümber Maa liikuma täpselt samamoodi nagu Maa liigub ümber Päikese, nimelt mööda ellipsi, mille ühes koldes paikneb meie planeedi keskpunkt.

Kui suurendate südamiku algkiirust veelgi, muutub ellips rohkem venitatud. Seda ellipsit on võimalik venitada nii, et tuum ulatub Kuu orbiidile või isegi palju kaugemale. Kuid kuni selle tuuma algkiirus ületab 11,2 km/sek, jääb see Maa satelliidiks.

Tuum, mis sai tulistamisel kiiruseks üle 11,2 km/s, lendab igaveseks paraboolset trajektoori mööda Maast eemale. Kui ellips on suletud kõver, siis parabool on kõver, millel on kaks lõpmatusse suunduvat haru. Liikudes mööda ellipsit, ükskõik kui piklik see ka poleks, pöördume paratamatult süstemaatiliselt tagasi alguspunkti. Mööda parabooli liikudes ei naase me kunagi lähtepunkti.

Kuid sellisel kiirusel Maalt lahkudes ei suuda tuum veel lõpmatuseni lennata. Päikese võimas gravitatsioon painutab oma lennu trajektoori, sulgedes selle enda ümber nagu planeedi trajektoori. Tuumast saab Maa õde, iseseisev pisike planeet meie planeetide perekonnas.

Tuuma suunamiseks planeedisüsteemist väljapoole, päikesegravitatsiooni ületamiseks on vaja anda sellele kiirus üle 16,7 km/sek ja suunata nii, et sellele kiirusele lisandub kiirus enda liikumine Maa.

Kiirust umbes 8 km/sek (see kiirus sõltub mäe kõrgusest, millest meie kahurid tulistab) nimetatakse ringkiiruseks, kiirused 8–11,2 km/s on elliptilised, 11,2–16,7 km/sek on paraboolsed. ja üle selle numbri – vabastavatel kiirustel.

Siinkohal tuleb lisada, et antud kiiruste väärtused kehtivad ainult Maa kohta. Kui me elaksime Marsil, oleks ringkiirus meie jaoks palju hõlpsamini saavutatav - see on vaid umbes 3,6 km/sek ja paraboolkiirus on vaid veidi suurem kui 5 km/sek.

Tuuma kosmosesse saatmine Jupiterist oleks aga palju keerulisem kui Maalt: ringkiirus sellel planeedil on 42,2 km/sek, paraboolkiirus aga isegi 61,8 km/sek!

Päikese elanikel oleks kõige raskem oma maailmast lahkuda (kui selline võiks muidugi eksisteerida). Selle hiiglase ringkiirus peaks olema 437,6 ja läbilöögikiirus - 618,8 km/sek!

Nii Newton 17. sajandi lõpus, sada aastat enne vendade Montgolfieride kuumaõhupalli esimest lendu, kakssada aastat enne vendade Wrightide lennuki esimesi lende ja ligi veerand aastatuhandet enne esimeste vedelkütusega rakettide õhkutõus, näitas satelliitidele ja kosmoselaevadele teed taevasse.

Universaalne gravitatsioonijõud on omane igale sfäärile

Kasutades universaalse gravitatsiooni seadus avastati tundmatuid planeete, loodi kosmogoonilised hüpoteesid päikesesüsteemi tekke kohta. Põhiline loodusjõud, mis juhib tähti, planeete, õunu aias ja gaasimolekule atmosfääris, on avastatud ja matemaatiliselt kirjeldatud.

Kuid me ei tea universaalse gravitatsiooni mehhanismi. Newtoni gravitatsioon ei seleta, vaid kujutab selgelt praegune olek planetaarsed liikumised.

Me ei tea, mis põhjustab kõigi universumi kehade vastasmõju. Ja ei saa öelda, et Newtonit see põhjus ei huvitanud. Aastaid mõtiskles ta selle võimaliku mehhanismi üle.

Muide, see on tõesti erakordne salapärane jõud. Jõud, mis avaldub läbi sadade miljonite kilomeetrite kosmose, millest esmapilgul puuduvad igasugused materiaalsed moodustised, mille abil vastastikmõju ülekandumist seletada.

Newtoni hüpoteesid

JA Newton poole pöördunud hüpotees teatud eetri olemasolust, mis väidetavalt täidab kogu Universumi. 1675. aastal selgitas ta Maa külgetõmmet sellega, et kogu Universumit täitev eeter sööstab pidevate voogudena Maa keskmesse, haarates kinni kõik selle liikumisega seotud objektid ja tekitades gravitatsioonijõu. Seesama eetrivool tormab Päikese poole ning, kandes endaga kaasa planeete ja komeete, tagab nende elliptilised trajektoorid...

See ei olnud kuigi veenev hüpotees, kuigi oli matemaatiliselt täiesti loogiline. Kuid siis, aastal 1679, lõi Newton uue hüpoteesi, mis selgitas gravitatsioonimehhanismi. Seekord annab ta eetrile omaduse omada erinevat kontsentratsiooni planeetide läheduses ja neist kaugel. Mida kaugemal planeedi keskpunktist, seda tihedam on väidetavalt eeter. Ja sellel on omadus pigistada kõik materiaalsed kehad nende tihedamatest kihtidest välja vähem tihedateks. Ja kõik kehad pigistatakse välja Maa pinnale.

1706. aastal eitas Newton teravalt eetri olemasolu. Aastal 1717 naasis ta taas eetri väljapressimise hüpoteesi juurde.

Newtoni geniaalne aju võitles lahendusega suur saladus ja ei leidnud teda. See seletab sellist teravat küljelt küljele viskamist. Newtonile meeldis öelda:

Ma ei püstita hüpoteese.

Ja kuigi niipea, kui saime kontrollida, pole see päris tõsi, võib kindlalt väita midagi muud: Newton teadis, kuidas selgelt eristada vaieldamatuid asju ebakindlatel ja vastuolulistel hüpoteesidel. Ja “Põhimõttes” on suure seaduse valem, kuid selle mehhanismi ei püüta selgitada.
Suur füüsik pärandas selle mõistatuse tulevikuinimesele. Ta suri 1727. aastal.
See pole tänaseni lahendatud.

Arutelu Newtoni seaduse füüsikalise olemuse üle kestis kaks sajandit. Ja võib-olla ei puudutaks see arutelu seaduse olemust, kui see vastaks täpselt kõigile selle kohta esitatud küsimustele.

Aga tõsiasi on see, et aja jooksul selgus, et see seadus pole universaalne. Et on juhtumeid, kui ta ei oska seda või teist nähtust seletada. Toome näiteid.

Universaalse gravitatsiooni jõud Seeligeri arvutustes

Esimene neist on Seeligeri paradoks. Pidades universumit lõpmatuks ja ühtlaselt mateeriaga täidetud, püüdis Seeliger Newtoni seaduse järgi arvutada universaalse gravitatsioonijõu, mille tekitab kogu lõpmatult suur mass. lõpmatu universum mingil hetkel sellest.

Puhta matemaatika seisukohalt ei olnud see lihtne ülesanne. Olles ületanud kõik kõige keerukamate teisenduste raskused, tegi Seeliger kindlaks, et soovitud universaalse gravitatsiooni jõud on võrdeline universumi raadiusega. Ja kuna see raadius on võrdne lõpmatusega, siis peab gravitatsioonijõud olema lõpmatult suur. Praktikas me seda aga ei jälgi. See tähendab, et universaalse gravitatsiooni seadus ei kehti kogu universumi kohta.

Paradoksile on aga võimalikud ka muud seletused. Näiteks võime eeldada, et aine ei täida ühtlaselt kogu Universumit, vaid selle tihedus väheneb järk-järgult ja lõpuks kuskil väga kaugel pole mateeriat üldse. Kuid ette kujutada sellist pilti tähendab tunnistada ruumi olemasolu ilma aineta, mis on üldiselt absurdne.

Võib eeldada, et universaalse gravitatsiooni jõud nõrgeneb kiiremini kui kauguse ruut suureneb. Kuid see seab kahtluse alla Newtoni seaduse hämmastava harmoonia. Ei, ja see seletus teadlasi ei rahuldanud. Paradoks jäi paradoksiks.

Vaatlused Merkuuri liikumisest

Veel üks asjaolu, universaalse gravitatsioonijõu mõju, mida Newtoni seadus ei seleta, tõi kaasa tähelepanekud Merkuuri liikumisest- planeedile kõige lähemal. Täpsed arvutused, kasutades Newtoni seadust, näitasid, et perhelion – ellipsi punkt, mida mööda Merkuur Päikesele kõige lähemale liigub – peaks nihkuma 531 kaaresekundi võrra 100 aasta kohta.

Ja astronoomid on kindlaks teinud, et see nihe on võrdne 573 kaaresekundiga. Seda ülejääki - 42 kaaresekundit - ei suutnud teadlased ka seletada, kasutades ainult Newtoni seadusest tulenevaid valemeid.

Ta selgitas Seeligeri paradoksi, Merkuuri periheeli nihkumist ja paljusid muid paradoksaalseid nähtusi ja seletamatud faktid Albert Einstein, kõigi aegade üks suurimaid, kui mitte suurim füüsik. Tüütute pisiasjade hulgas oli küsimus eeterlik tuul.

Albert Michelsoni katsed

Tundus, et see küsimus ei puuduta otseselt gravitatsiooniprobleemi. Ta oli seotud optika, valgusega. Täpsemalt selle kiiruse määramiseks.

Valguse kiiruse määras esmakordselt Taani astronoom Olaf Roemer, jälgides Jupiteri satelliitide varjutust. See juhtus 1675. aastal.

Ameerika füüsik Albert Michelson 18. sajandi lõpus viis ta enda konstrueeritud aparatuuri abil läbi rea valguse kiiruse määramisi maapealsetes tingimustes.

1927. aastal andis ta valguse kiiruseks väärtuseks 299796 + 4 km/sek – see oli tolle aja kohta suurepärane täpsus. Aga point on hoopis teine. 1880. aastal otsustas ta uurida eeterlikku tuult. Ta tahtis lõpuks kindlaks teha just selle eetri olemasolu, mille olemasolu püüdsid nad seletada nii gravitatsioonilise interaktsiooni kui ka valguslainete ülekannet.

Michelson oli ilmselt oma aja tähelepanuväärseim eksperimentalist. Tal oli suurepärane varustus. Ja ta oli edus peaaegu kindel.

Kogemuse olemus

Kogemused oli nii ette nähtud. Maa liigub oma orbiidil kiirusega umbes 30 km/sek. Liigub läbi eetri. See tähendab, et vastuvõtja ees seisva allika valguse kiirus Maa liikumise suhtes peab olema suurem kui teisel pool seisva allika valguse kiirus. Esimesel juhul tuleb valguse kiirusele lisada eetertuule kiirus, teisel juhul peab valguse kiirus selle võrra vähenema.

Muidugi on Maa tiiru ümber Päikese kiirus vaid üks kümnetuhandik valguse kiirusest. Nii väikest terminit on väga raske tuvastada, kuid mitte asjata ei nimetatud Michelsoni täpsuse kuningaks. Ta kasutas nutikat meetodit valguskiirte kiiruse "tabamatu" erinevuse tabamiseks.

Ta jagas kiire kaheks võrdseks vooluks ja suunas need üksteisega risti: piki meridiaani ja mööda paralleeli. Pärast peeglitelt peegeldumist tulid kiired tagasi. Kui paralleelselt liikuvat kiirt mõjutaks eeterlik tuul, tekiksid selle liitmisel meridionaalsele kiirele interferentsäärid ja kahe kiire lained oleksid faasist väljas.

Michelsonil oli aga raske mõlema kiire teekonda nii suure täpsusega mõõta, et need oleksid absoluutselt identsed. Nii ehitas ta aparaadi nii, et ei oleks häireid, ja pööras seejärel seda 90 kraadi.

Meridionaalne kiir muutus laiuskraadiks ja vastupidi. Eetertuule korral peaksid okulaari alla tekkima mustad ja heledad triibud! Kuid neid polnud seal. Võib-olla liigutas teadlane seadet keerates seda.

Ta pani selle keskpäeval üles ja kindlustas selle. Lõppude lõpuks, lisaks sellele, et see ka pöörleb ümber telje. Ja seetõttu sisse erinevad ajad päeval on laiuskraadikiir läheneva eetertuule suhtes erinevas asendis. Nüüd, kui seade on rangelt liikumatu, võib katse täpsuses veenduda.

Jälle ei olnud segamisribasid. Katse viidi läbi mitu korda ning Michelson ja koos temaga kõik tolleaegsed füüsikud olid hämmastunud. Eeterlikku tuult ei tuvastatud! Valgus liikus igas suunas ühesuguse kiirusega!

Keegi pole suutnud seda selgitada. Michelson kordas katset ikka ja jälle, täiustas seadmeid ja saavutas lõpuks peaaegu uskumatu mõõtmistäpsuse, suurusjärgu võrra suurema katse õnnestumiseks vajalikust. Ja jälle ei midagi!

Albert Einsteini katsed

Järgmine suur samm sisse teadmised universaalse gravitatsioonijõust tegid Albert Einstein.
Albert Einsteinilt küsiti kord:

Kuidas sa oma eriline teooria relatiivsus? Millistel asjaoludel geniaalne idee teile pähe tuli? Teadlane vastas: "Ma kujutasin alati ette, et see on nii."

Võib-olla ei tahtnud ta olla avameelne, võib-olla tahtis ta oma tüütust vestluskaaslasest lahti saada. Kuid on raske ette kujutada, et Einsteini avastatud aja, ruumi ja kiiruse seoste kontseptsioon oli kaasasündinud.

Ei, muidugi, esmalt sähvatas läbi oletus, ere kui välk. Siis algas selle areng. Ei, teadaolevate nähtustega pole vastuolusid. Ja siis ilmusid need viis valemitega täidetud lehekülge, mis avaldati füüsikaajakirjas. Leheküljed, mis avasid füüsikas uue ajastu.

Kujutage ette kosmoses lendavat tähelaeva. Hoiatame teid kohe: kosmoselaev on väga unikaalne, seesama, millest te räägite fantaasia lood pole seda lugenud. Selle pikkus on 300 tuhat kilomeetrit ja kiirus on näiteks 240 tuhat km/s. Ja see kosmoselaev lendab mööda ühest kosmose vaheplatvormist, peatumata sellel. Täiskiirusel.

Üks selle reisijatest seisab tähelaeva tekil kellaga. Ja sina ja mina, lugeja, seisame platvormil – selle pikkus peab vastama tähelaeva suurusele ehk 300 tuhandele kilomeetrile, sest muidu ei saa ta sellele maanduda. Ja käekell on meil ka käes.

Märkame: sel hetkel, kui kosmoselaeva nina jõudis meie platvormi tagumise servani, välgatas sellel latern, mis valgustas seda ümbritsevat ruumi. Sekund hiljem jõudis valgusvihk meie platvormi esiservani. Selles me ei kahtle, sest me teame valguse kiirust ja meil õnnestus kellal vastav hetk täpselt tuvastada. Ja tähelaeval...

Kuid valgusvihu suunas lendas ka tähelaev. Ja kindlasti nägime, et tuli valgustas oma ahtrit sel hetkel, kui see oli kuskil platvormi keskpaiga lähedal. Kindlasti nägime, et 300 tuhat kilomeetrit ei ulatunud valgusvihk laeva vöörist ahtrisse.

Kuid reisijad tähelaeva tekil on kindlad milleski muus. Nad on kindlad, et nende kiir kattis kogu 300 tuhande kilomeetri pikkuse vahemaa vöörist ahtrini. Lõppude lõpuks kulutas ta sellele terve sekundi. Nad tuvastasid selle ka oma kellal täiesti täpselt. Ja kuidas saakski teisiti: valguse kiirus ju ei sõltu allika kiirusest...

Kuidas nii? Meie näeme üht paigalt platvormilt, aga nemad näevad tähelaeva tekil midagi muud? milles asi?

Einsteini relatiivsusteooria

Tuleb kohe märkida: Einsteini relatiivsusteooria esmapilgul läheb see absoluutselt vastuollu meie väljakujunenud arusaamaga maailma ülesehitusest. Võime öelda, et see läheb vastuollu ka terve mõistusega, nagu oleme harjunud seda esindama. Seda on teaduse ajaloos juhtunud rohkem kui üks kord.

Kuid ka Maa sfäärilise kuju avastamine läks vastuollu terve mõistusega. Kuidas saavad inimesed elada vastasküljel ja mitte langeda kuristikku?

Meie jaoks on Maa keralisus vaieldamatu tõsiasi ja terve mõistuse seisukohalt on igasugune muu oletus mõttetu ja metsik. Kuid astuge oma ajast tagasi, kujutage ette selle idee esimest ilmumist ja saab selgeks, kui raske oleks seda aktsepteerida.

Noh, kas oleks lihtsam tunnistada, et Maa ei ole liikumatu, vaid lendab mööda oma trajektoori kümneid kordi kiiremini kui kahurikuul?

Need kõik olid terve mõistuse ebaõnnestumised. Sellepärast tänapäeva füüsikud sellele kunagi ei viita.

Nüüd pöördume tagasi erirelatiivsusteooria juurde. Maailm tundis teda esmakordselt ära 1905. aastal artikli põhjal, millele olid alla kirjutanud vähesed kuulus nimi- Albert Einstein. Ja ta oli sel ajal vaid 26-aastane.

Einstein tegi sellest paradoksist väga lihtsa ja loogilise oletuse: platvormil oleva vaatleja vaatenurgast on liikuvas vankris möödunud vähem aega, kui teie poolt mõõdetud. käekell. Vagunis aeglustus aja kulg võrreldes ajaga paigal platvormil.

Sellest eeldusest lähtusid loogiliselt täiesti hämmastavad asjad. Selgus, et trammis tööle minev inimene, võrreldes sama teed kõndiva jalakäijaga, ei hoia kiiruse tõttu mitte ainult aega kokku, vaid see läheb tal ka aeglasemalt.

Kuid ärge püüdke niimoodi igavest noorust säilitada: isegi kui hakkate vankrijuhiks ja veedate kolmandiku oma elust trammis, võidate 30 aastaga vaevalt miljondiksekundi. Et ajavõit oleks märgatav, peate liikuma valguse kiirusele lähedase kiirusega.

Selgub, et kehade kiiruse suurenemine peegeldub nende massis. Mida lähemal on keha kiirus valguse kiirusele, seda suurem on selle mass. Kui keha kiirus on võrdne valguse kiirusega, on tema mass võrdne lõpmatusega, s.t ta on suurem kui Maa, Päikese, Galaktika, kogu meie universumi mass... See on mass, mis suudab koonduda lihtsasse munakivisse, kiirendades seda kiiruseni
Sveta!

See seab piirangu, mis ei lase ühelgi materiaalsel kehal arendada valguse kiirusega võrdset kiirust. Lõppude lõpuks muutub massi kasvades seda kiirendada üha keerulisemaks. Ja lõpmatut massi ei saa ühegi jõuga oma kohalt liigutada.

Loodus on aga teinud sellest seadusest väga olulise erandi tervele osakeste klassile. Näiteks footonite jaoks. Nad võivad liikuda valguse kiirusel. Täpsemalt ei saa nad liikuda muul kiirusel. Liikumatut footonit on mõeldamatu ette kujutada.

Statsionaarselt pole sellel massi. Neutriinodel ei ole ka puhkemassi ning nad on samuti määratud igavesele kontrollimatule lennule läbi kosmose meie universumis maksimaalse võimaliku kiirusega, ilma valgusest möödumata või sellest maha jäämata.

Kas pole tõsi, et kõik meie loetletud erirelatiivsusteooria tagajärjed on üllatavad ja paradoksaalsed! Ja igaüks neist on loomulikult vastuolus "terve mõistusega"!

Kuid siin on huvitav: mitte nende konkreetsel kujul, vaid laia filosoofilise seisukohana ennustasid kõiki neid hämmastavaid tagajärgi dialektilise materialismi rajajad. Mida need tulemused näitavad? Seostest, mis ühendavad omavahel liikuva objekti energia ja massi, massi ja kiiruse, kiiruse ja aja, kiiruse ja pikkuse...

Einsteini avastus vastastikusest sõltuvusest, nagu tsement (täpsemalt:), mis ühendas omavahel armatuuri ehk vundamendikivid, tõi kokku asjad ja nähtused, mis varem tundusid üksteisest sõltumatud ning lõi aluse, millele esimest korda teaduse ajaloos. , tundus olevat võimalik ehitada harmooniline hoone. See hoone on idee meie universumi toimimisest.

Esmalt aga vähemalt paar sõna üldisest relatiivsusteooriast, mille on samuti loonud Albert Einstein.

See nimi – üldine relatiivsusteooria – ei vasta päris täpselt selle teooria sisule, mille kohta me räägime. See loob ruumi ja aine vastastikuse sõltuvuse. Ilmselt oleks õigem seda nimetada aegruumi teooria, või gravitatsiooni teooria.

Kuid see nimi on Einsteini teooriaga nii läbi põimunud, et isegi selle asendamise küsimuse tõstatamine tundub paljudele teadlastele sobimatu.

Üldrelatiivsusteooria kehtestas mateeria ning seda sisaldava aja ja ruumi vastastikuse sõltuvuse. Selgus, et ruumi ja aega ei saa mitte ainult ette kujutada ainest eraldi eksisteerivana, vaid nende omadused sõltuvad ka neid täitvast ainest.

Arutlemise lähtepunkt

Seetõttu saame ainult viidata alguspunkt ja tehke mõned olulised järeldused.

Alguses kosmosereisid Ootamatu katastroof hävitas läbi kosmose lendavate inimeste raamatukogu, filmikogu ja muud mõistuse ja mälu hoidlad. Ja põlisplaneedi loodus unustati sajandite vahetumisel. Unustatakse isegi universaalse gravitatsiooni seadus, sest rakett lendab galaktikatevahelises ruumis, kus seda peaaegu ei tunnetagi.

Laeva mootorid töötavad aga suurepäraselt ning energiavaru akudes on praktiliselt piiramatu. Enamasti liigub laev inertsist ja selle elanikud on kaaluta olekuga harjunud. Kuid mõnikord panevad nad mootorid tööle ja aeglustavad või kiirendavad laeva liikumist. Kui reaktiivdüüsid lõõmavad värvitu leegiga tühjusse ja laev liigub kiirendatud tempos, tunnevad elanikud, et nende keha muutub kaalukaks, nad on sunnitud laeva ümber kõndima, mitte mööda koridore lendama.

Ja nüüd on lend lõppemas. Laev lendab ühe tähe juurde ja kukub sobivaima planeedi orbiidile. Kosmoselaevad lähevad õue, kõnnivad värske rohelusega kaetud pinnasel, kogedes pidevalt sama raskustunnet, mis on tuttav laeva kiirendatud tempos liikumise ajast.

Kuid planeet liigub ühtlaselt. See ei saa nende poole lennata pideva kiirendusega 9,8 m/sek2! Ja neil on esimene eeldus, et gravitatsiooniväli (gravitatsioonijõud) ja kiirendus annavad sama efekti ja neil võib-olla on ühine olemus.

Ükski meie maapealsetest kaasaegsetest ei olnud nii pikal lennul, kuid paljud tundsid oma keha "raskust" ja "kergenemist". Isegi tavaline lift, kui see kiirendatud tempos liigub, tekitab selle tunde. Alla minnes tunned üles minnes äkilist kaalulangust, vastupidi, põrand surub jalgadele tavapärasest suurema jõuga;

Kuid üks tunne ei tõesta midagi. Meid püüavad ju aistingud veenda, et Päike liigub üle taeva ümber liikumatu Maa, et kõik tähed ja planeedid on meist samal kaugusel, taevalaotuses jne.

Teadlased on aistinguid katsetanud. Newton mõtles ka nende kahe nähtuse kummalisele identiteedile. Ta püüdis anda neile numbrilisi tunnuseid. Olles mõõtnud gravitatsiooni ja , oli ta veendunud, et nende väärtused on alati üksteisega rangelt võrdsed.

Piloottehase pendleid valmistas ta kõikvõimalikest materjalidest: hõbedast, pliist, klaasist, soolast, puidust, veest, kullast, liivast, nisust. Tulemus oli sama.

Samaväärsuse põhimõte, millest me räägime, on üldise relatiivsusteooria aluseks, kuigi teooria kaasaegne tõlgendus seda põhimõtet enam ei vaja. Jättes vahele sellest põhimõttest tulenevad matemaatilised järeldused, liikugem otse üldise relatiivsusteooria mõningate tagajärgede juurde.

Suurte ainemasside olemasolu mõjutab suuresti ümbritsevat ruumi. See toob kaasa selliseid muutusi, mida võib määratleda kui ruumi heterogeensust. Need ebahomogeensused juhivad kõigi masside liikumist, mis satuvad ligitõmbava keha lähedale.

Tavaliselt kasutavad nad seda analoogiat. Kujutage ette lõuendit, mis on tihedalt venitatud maapinnaga paralleelsele raamile. Asetage sellele raske raskus. Sellest saab meie suur ligitõmbav mass. See muidugi painutab lõuendit ja lõpetab mingisuguse masendusega. Nüüd veeretage palli mööda seda lõuendit nii, et osa selle teest oleks ligitõmbava massi kõrval. Olenevalt palli käivitamisest on kolm võimalust.

1. Pall lendab lõuendi läbipainde tekitatud süvendist piisavalt kaugele ega muuda selle liikumist.
2. Pall puudutab süvendit ja selle liikumisjooned painduvad ligitõmbava massi poole.
3. Pall kukub sellesse auku, ei saa sealt välja ja teeb gravitatsioonimassi ümber ühe või kaks pööret.

Kas pole tõsi, et kolmas variant modelleerib väga kaunilt tähe või planeedi poolt hooletult nende tõmbeväljale lendava võõrkeha tabamist?

Ja teine ​​juhtum on võimalikust püüdmiskiirusest suurema kiirusega lendava keha trajektoori painutamine! Esimene juhtum sarnaneb gravitatsioonivälja praktilisest haardest kaugemale lendamisega. Jah, just praktiline, sest teoreetiliselt on gravitatsiooniväli piiritu.

Muidugi on see väga kauge analoogia, eelkõige seetõttu, et keegi ei kujuta meie kolmemõõtmelise ruumi kõrvalekallet ette. Keegi ei tea, mis on selle läbipainde või kõveruse füüsiline tähendus, nagu sageli öeldakse.

Üldrelatiivsusteooriast järeldub, et iga materiaalne keha saab gravitatsiooniväljas liikuda ainult mööda kõverjooni. Ainult erijuhtudel muutub kõver sirgeks.

Seda reeglit järgib ka valguskiir. See koosneb ju footonitest, millel on lennu ajal teatud mass. Ja gravitatsiooniväli avaldab sellele oma mõju, nagu molekulile, asteroidile või planeedile.

Teine oluline järeldus on see, et gravitatsiooniväli muudab ka aja kulgu. Suure ligitõmbava massi lähedal, selle tekitatavas tugevas gravitatsiooniväljas, peaks aja kulgemine olema aeglasem kui sellest kaugel.

Näete, üldine relatiivsusteooria on täis paradoksaalseid järeldusi, mis võivad taas ümber lükata meie "terve mõistuse" ideed!

Gravitatsiooniline kollaps

Räägime sellest hämmastav nähtus, millel on kosmiline iseloom, räägib gravitatsioonilisest kollapsist (katastroofiline kokkusurumine). See nähtus esineb hiiglaslikes ainekogumites, kus gravitatsioonijõud saavutavad nii tohutud suurused, et ükski teine ​​looduses eksisteeriv jõud ei suuda neile vastu seista.

Pea meeles kuulus valem Newton: mida suurem on gravitatsioonijõud, seda väiksem on gravitatsioonikehade vahelise kauguse ruut. Seega, mida tihedamaks muutub aineline moodustis, seda väiksemaks muutub see, mida kiiremini suurenevad gravitatsioonijõud, seda vältimatum on nende hävitav embus.

On olemas kaval tehnika, millega loodus võitleb mateeria näiliselt piiritu kokkusurumisega. Selleks peatab see ülihiiglaslike gravitatsioonijõudude toimesfääris aja kulgemise ja seotud ainemassid näivad olevat meie universumist välja lülitatud, külmunud kummalises letargilises unes.

Esimene neist "mustadest aukudest" kosmoses on ilmselt juba avastatud. Nõukogude teadlaste O. Kh Guseinovi ja A. Sh. eeldusel on see Delta Gemini - ühe nähtamatu komponendiga.

Nähtava komponendi mass on 1,8 päikeseenergiat ja selle nähtamatu “kaaslane” peaks arvutuste kohaselt olema nähtavast neli korda massiivsem. Kuid sellest pole jälgi: looduse kõige hämmastavamat loomingut, "musta auku" on võimatu näha.

Nõukogude teadlane professor K. P. Stanyukovitš, nagu nad ütlevad, "oma pliiatsi otsas" näitas puhtalt teoreetiliste konstruktsioonide kaudu, et "külmunud aine" osakesed võivad olla väga erineva suurusega.

• Selle hiiglaslikud moodustised on sarnased kvasaridega, mis kiirgavad pidevalt sama palju energiat, kui kõik meie galaktika 100 miljardit tähte kiirgavad.
• Võimalikud on palju tagasihoidlikumad klombid, mis on võrdsed vaid mõne päikesemassiga. Mõlemad objektid võivad ise tekkida tavalisest mitteuinuvast ainest.
• Ja võimalikud on ka täiesti erineva klassi moodustised, mis on massilt võrreldavad elementaarosakestega.

Nende tekkimiseks tuleb neid moodustav aine esmalt allutada hiiglaslikule survele ja viia Schwarzschildi sfääri piiridesse – sfääri, kus aeg peatub välise vaatleja jaoks täielikult. Ja isegi kui pärast seda rõhk eemaldatakse, jäävad osakesed, mille jaoks aeg on peatunud, eksisteerimist meie universumist sõltumatult.

Plankeonid

Plankeonid on täiesti eriline osakeste klass. Nad on K. P. Stanyukovitši sõnul äärmiselt huvitav vara: kandke ainet muutumatul kujul, nii nagu see oli miljoneid ja miljardeid aastaid tagasi. Plankeoni sisse vaadates näeksime mateeriat sellisena, nagu see oli meie universumi sünnihetkel. Teoreetiliste arvutuste kohaselt on Universumis umbes 10 80 plankeoni, umbes üks plankeon ruumikuubis, mille külg on 10 sentimeetrit. Muide, samaaegselt Stanyukovitši ja (temast sõltumatult) hüpoteesi plankeonide kohta esitas akadeemik M. A. Markov. Ainult Markov andis neile erineva nime - maksimonid.

Elementaarosakeste kohati paradoksaalseid muundumisi võib proovida seletada plankeonide eriomadusi kasutades. Teatavasti ei teki kahe osakese põrkumisel kunagi killud, vaid tekivad teised elementaarosakesed. See on tõeliselt hämmastav: tavamaailmas ei saa me vaasi purustades kunagi terveid tasse ega isegi rosette. Kuid oletame, et iga elementaarosakese sügavuses on peidus plankeon, üks või mitu ja mõnikord ka mitu plankeoni.

Osakeste kokkupõrke hetkel avaneb plankeoni tihedalt seotud “kott” veidi, osa osakesi “kukkub” sinna sisse ja vastutasuks “poppavad välja” need, mis meie arvates kokkupõrke käigus tekkisid. Samal ajal tagab plankeon, nagu arukas raamatupidaja, kõik elementaarosakeste maailmas aktsepteeritud “jäävusseadused”.
Noh, mis on universaalse gravitatsiooni mehhanismil sellega pistmist?

K. P. Stanyukovitši hüpoteesi kohaselt "vastutavad" gravitatsiooni eest väikesed osakesed, nn gravitonid, mida elementaarosakesed pidevalt kiirgavad. Gravitonid on viimastest sama palju väiksemad kui tolmukübeke, mis tantsivad päikesekiir, väiksem kui maakera.

Gravitonite emissioon järgib mitmeid seadusi. Eelkõige lendavad nad sellesse ruumi piirkonda kergemini. Mis sisaldab vähem gravitoneid. See tähendab, et kui ruumis on kaks taevakeha, kiirgavad mõlemad gravitonid valdavalt “väljapoole”, teineteise vastassuunas. See loob impulsi, mis paneb kehad lähenema ja üksteist tõmbama.