Гравитационные силы являются одним из четырех основных видов сил, которые проявляются во всем своем многообразии между различными телами как на Земле, так и за ее пределами. Кроме них еще выделяют электромагнитные, слабые и ядерные (сильные). Вероятно, именно их существование человечество осознало в первую очередь. О со стороны Земли было известно еще с самых древних времен. Однако прошли целые столетия, прежде чем человек догадался, что взаимодействие подобного рода происходит не только между Землей и любым телом, но и между разными объектами. Первым, кто понял, как работают был английский физик И. Ньютон. Именно он и вывел всем известный сейчас
Формула гравитационной силы
Ньютон решил проанализировать законы, по которым происходит движение планет в системе. В результате он пришел к выводу, что вращение небесных тел вокруг Солнца возможно лишь в том случае, если между ним и самими планетами действуют гравитационные силы. Понимая, что небесные тела от других предметов отличаются всего лишь своими размерами и массой, ученый вывел следующую формулу:
F = f x (m 1 x m 2) / r 2 , где:
- m 1 , m 2 - это массы двух тел;
- r - расстояние между ними по прямой;
- f - гравитационная постоянная, значение которой равно 6,668 х 10 -8 см 3 /г х сек 2 .
Таким образом, можно утверждать, что любые два объекта притягиваются друг к другу. Работа гравитационной силы по своей величине прямо пропорциональна массам данных тел и обратно пропорциональна расстоянию между ними, возведенному в квадрат.
Особенности применения формулы
На первый взгляд, кажется, что пользоваться математическим описанием закона притяжения довольно просто. Однако если поразмыслить, данная формула имеет смысл лишь для двух масс, размеры которых по сравнению с расстоянием между ними ничтожно малы. Причем настолько, что их можно принять за две точки. А как же тогда быть, когда расстояние сопоставимо с размерами тел, а сами они имеют неправильную форму? Разделить их на части, определить гравитационные силы между ними и вычислить равнодействующую? Если так, то сколько точек нужно брать для расчета? Как видите, не все так просто.
А если учесть (с точки зрения математики), что точка размеров не имеет, то такое положение и вовсе кажется безвыходным. К счастью, ученые придумали способ, как производить расчеты в таком случае. Они используют аппарат интегрального и Суть метода в том, что объект разбивается на бесконечное число малых кубиков, массы которых сосредоточены в их центрах. Затем составляется формула для нахождения равнодействующей силы и применяется предельный переход, посредством которого объем каждого составляющего элемента сводится к точке (нулю), а количество таких элементов устремляется в бесконечность. Благодаря данному приему удалось получить некоторые важные выводы.
- Если тело представляет собой шар (сферу), плотность которого однородна, то оно притягивает к себе любой другой объект так, словно вся его масса сосредоточена в его центре. Поэтому с некоторой погрешностью можно применять этот вывод и для планет.
- Когда для плотности предмета характерна центральная сферическая симметрия, он взаимодействует с другими объектами так, как будто в точке симметрии находится вся его масса. Таким образом, если взять пустотелый шар (например, или несколько вложенных друг в друга шаров (как куклы-матрешки), то они будут притягивать другие тела подобно тому, как это делала бы материальная точка, имеющая их общую массу и расположенная в центре.
Гравитация - самая таинственная сила во Вселенной. Ученые не знают до конца ее природы. Именно она удерживает на орбитах планеты Солнечной системы. Это сила, возникающая между двумя объектами и зависящая от массы и расстояния.
Гравитацию называют силой притяжения или тяготения. С помощью нее планета или другое тело тянет объекты к своему центру. Сила тяжести удерживает планеты на орбите вокруг Солнца.
Что еще делает гравитация?
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 вас на земле и заставляет вещи падать.
Все, что имеет массу, имеет гравитацию. Мощь гравитации 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.
Гравитация на Земле и во Вселенной
Во время полета самолета люди в нем остаются на местах и могут передвигаться 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.
Сила притяжения Солнца настолько велика, что удерживает девять планет, многочисленные спутники, астероиды и планеты.
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. 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.
В этом случае спутник бы постепенно отходил от своей орбиты и двигался хаотично. И, вполне вероятно, что по прошествии какого-то времени, он рухнул бы на ближайшую поверхность или перешел на другую орбиту.
Некоторые факты
- В некоторых уголках Земли сила гравитации имеет более слабую силу, чем на всей планете. Например, в Канаде, в районе Гудзонова залива сила притяжения ниже.
- Когда космонавты возвращаются из космоса на нашу планету, в самом начале им сложно приспособиться к гравитационной силе земного шара. Иногда это занимает несколько месяцев.
- Самой мощной силой гравитации среди космических объектов обладают черные дыры. Одна черная 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.
Определение
Между любыми телами, которые обладают массами, действуют силы, которые притягивают вышеназванные тела друг к другу. Такие силы называют силами взаимного притяжения.
Рассмотрим две материальные точки (рис.1). Они притягиваются с силами прямо пропорциональными произведению масс этих материальных точек и обратно пропорциональными расстоянию между ними. Так, сила тяготения () будет равна:
где материальная точка массы m 2 действует на материальную точку массы m 1 с силой притяжения – радиус – вектор, который проведен из точки 2 в точку 1, модуль этого вектора равен расстоянию между материальными точками (r); G=6,67 10 -11 м 3 кг -1 с -2 (в системе СИ) – гравитационная постоянная (постоянная тяготения).
В соответствии с третьим законом Ньютона сила, с которой материальная точка 2 притягивается к материальной точке 1 () равна:
Тяготение между телами осуществляется посредством гравитационного поля (поля тяготения). Силы тяготения являются потенциальными. Это дает возможность ввести такую энергетическую характеристику гравитационного поля как потенциал, который равен отношению потенциальной энергии материальной точки, находящейся исследуемой точке поля к массе данной точки.
Формула для силы притяжения тел произвольной формы
В двух телах произвольной формы и размера выделим элементарные массы, которые можно считать материальными точками, причем:
где – плотности вещества материальных точек первого и второго тел, dV 1 ,dV 2 - элементарные объемы выделенных материальных точек. В таком случае, сила притяжения (), с которой элемент dm 2 действует на элемент dm 1 , равна:
Следовательно, сила притяжения первого тела вторым может быть найдена по формуле:
где интегрирование необходимо произвести по всему объему первого (V 1) и второго (V 2) тел. Если тела являются однородными, то выражение можно немного преобразовать и получить:
Формула для силы притяжения твердых тел шарообразной формы
Если силы притяжения рассматриваются для двух твердых тел шарообразной формы (или близких к шарам), плотность которых зависит только от расстояний до их центров формула (6) примет вид:
где m 1 ,m 2 – массы шаров, – радиус – вектор, соединяющий центры шаров,
Выражение (7) можно использовать в случае, если одно из тел имеет форму отличную от шарообразной, но его размеры много меньше, чем размеры второго тела - шара. Так, формулой (7) можно пользоваться для вычислений сил притяжения тел к Земле.
Единицы измерения силы притяжения
Основной единицей измерения силы притяжения (как и любой другой силы) в системе СИ является: =H.
В СГС: =дин.
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какова сила притяжения двух одинаковых однородных шара масса, которых равна по 1 кг? Расстояние между их центрами равно 1 м.
Решение. Основой для решения задачи служит формула:
Для вычисления модуля силы притяжения формула (1.1) преобразуется к виду:
Проведем вычисления:
Ответ.
Пример
Задание. С какой силой (по модулю) бесконечно длинный и тонкий и прямой стержень притягивает материальную частицу массы m. Частица расположена на расстоянии a от стержня. Линейная плотность массы вещества стержня равна тау
Гравитационная сила – это сила, с которой притягиваются друг к другу тела определённой массы, находящиеся на определённом расстоянии друг от друга.
Английский учёный Исаак Ньютон в 1867 г. открыл закон всемирного тяготения. Это один из фундаментальных законов механики. Суть этого закона в следующем: любые две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Сила притяжения – первая сила, которую почувствовал человек. Это сила, с которой Земля воздействует на все тела, находящиеся на её поверхности. И эту силу любой человек ощущает как собственный вес.
Закон всемирного тяготения
Существует легенда, что закон всемирного тяготения Ньютон открыл совершенно случайно, гуляя вечером по саду своих родителей. Творческие люди постоянно находятся в поиске, а научные открытия - это не мгновенное озарение, а плод длительной умственной работы. Сидя под яблоней, Ньютон осмысливал очередную идею, и вдруг на голову ему упало яблоко. Ньютону было понятно, что яблоко упало в результате действия силы притяжения Земли. «Но почему не падает на Землю Луна? - задумался он. - Значит, на неё действует ещё какая-то сила, удерживающая её на орбите». Так был открыт знаменитый закон всемирного тяготения .
Учёные, изучавшие до этого вращение небесных тел, считали, что небесные тела подчиняются каким-то совершенно другим законам. То есть, предполагалось, что существуют совершенно разные законы притяжения на поверхности Земли и в космосе.
Ньютон объединил эти предполагаемые виды гравитации. Анализируя законы Кеплера, описывающие движение планет, он пришёл к выводу, что сила притяжения возникает между любыми телами. То есть, и на яблоко, упавшее в саду, и на планеты в космосе действуют силы, подчиняющиеся одному закону – закону всемирного тяготения.
Ньютон установил, что законы Кеплера действуют только в том случае, если между планетами существует сила притяжения. И эта сила прямо пропорциональна массам планет и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.
Сила притяжения рассчитывается по формуле F=G m 1 m 2 / r 2
m 1 – масса первого тела;
m 2 – масса второго тела;
r – расстояние между телами;
G – коэффициент пропорциональности, который называют гравитационной постоянной или постоянной всемирного тяготения .
Его значение определили экспериментально. G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг 2
Если две материальные точки с массой, равной единице массы, находятся на расстоянии, равном единице расстояния, то они притягиваются с силой, равной G .
Силы притяжения и есть гравитационные силы. Их называют ещё силами тяготения . Они подчинены закону всемирного тяготения и проявляются всюду, так как все тела имеют массу.
Сила тяжести
Гравитационная сила вблизи поверхности Земли – это сила, с которой все тела притягиваются к Земле. Её называют силой тяжести . Она считается постоянной, если расстояние тела от поверхности Земли мало по сравнению с радиусом Земли.
Так как сила тяжести, являющаяся гравитационной силой, зависит от массы и радиуса планеты, то на разных планетах она будет разной. Так как радиус Луны меньше радиуса Земли, то и сила притяжения на Луне меньше, чем на Земле в 6 раз. А на Юпитере, наоборот, сила тяжести в 2,4 раза больше силы тяжести на Земле. Но масса тела остаётся постоянной, независимо от того, где её измеряют.
Многие путают значение веса и силы тяжести, считая, что сила тяжести всегда равна весу. Но это не так.
Сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес, это и есть вес. Если убрать опору или подвес, тело начнёт падать с ускорением свободного падения под действием силы тяжести. Сила тяжести пропорциональна массе тела. Она вычисляется по формуле F = mg , где m – масса тела, g – ускорение свободного падения.
Вес тела может изменяться, а иногда и вообще исчезать. Представим себе, что мы находимся в лифте на верхнем этаже. Лифт стоит. В этот момент наш вес Р и сила тяжести F, с которой Земля притягивает нас, равны. Но как только лифт начал двигаться вниз с ускорением а , вес и сила тяжести уже не равны. Согласно второму закону Ньютона mg + P = ma . Р =m g - ma .
Из формулы видно, что наш вес при движении вниз уменьшился.
В момент, когда лифт набрал скорость и стал двигаться без ускорения, наш вес снова равен силе тяжести. А когда лифт стал замедлять своё движение, ускорение а стало отрицательным, и вес увеличился. Наступает перегрузка.
А если тело двигается вниз с ускорением свободного падения, то вес и вовсе станет равным нулю.
При a =g Р =mg-ma= mg - mg=0
Это состояние невесомости.
Итак, все без исключения материальные тела во Вселенной подчиняются закону всемирного тяготения. И планеты вокруг Солнца, и все тела, находящиеся у поверхности Земли.
Сначала представим Землю как не-подвижный шар (рис. 3.1, а). Сила тяготения F между Землей (масса М) и объектом (масса m) определяет-ся формулой: F= G Mm/r 2
где r — радиус Земли. Константа G известна под названием универсаль-ная гравитационная постоянная и чрезвычайно мала. Когда r постоянен, сила F — const . m. Притяжение Землей тела массой m определяет вес этого тела: W = mg сравнение уравнений дает: g = const = GM/r 2 .
Притяжение Землей тела массой m заставляет его падать «вниз» с ускорением g, которое постоянно во всех точках A, В, С и повсюду на земной поверхности (рис. 3.1,6).
Диаграмма сил свободного тела также показывает, что существует си-ла, действующая на Землю со стороны тела массой m, которая направлена противоположно силе, действующей на тело со стороны Земли. Однако масса М Земли так велика, что «на-правленное вверх» ускорение а" Зем-ли, вычисляемое по формуле F = Ma", незначительно и им можно пренебречь. Земля имеет форму, отличную от ша-рообразной: радиус на полюсе r р мень-ше радиуса на экваторе r е. Это означа-ет, что сила притяжения тела массой m на полюсе F p =GMm/r 2 p больше, чем на экваторе F e = GMm/r e . Поэтому ус-корение свободного падения g p на по-люсе больше ускорения свободного па-дения g e на экваторе. Ускорение g из-меняется с широтой в соответствии с изменением радиуса Земли.
Как вы знаете, Земля находится в постоянном движении. Она вращает-ся вокруг своей оси, совершая один оборот каждые сутки, и движется по орбите вокруг Солнца с оборотом в один год. Принимая для упрощения Землю за однородный шар, рассмот-рим движение тел массой m на по-люсе А и на экваторе С (рис. 3.2). За одни сутки тело в точке А поворачи-вается на 360°, оставаясь на месте, в то время как тело, находящееся в точке С, покрывает расстояние в 2лг. Для того чтобы тело, находящееся в точке С, двигалось по круговой орбите, нужна какая-то сила. Это центростре-мительная сила, которая определяется по формуле mv 2 /r, где v — скорость тела на орбите. Сила гравитационно-го притяжения, действующая на тело, находящееся в точке С, F = GMm/r должна:
а) обеспечивать движение те-ла по окружности;
б) притягивать тело к Земле.
Таким образом, F = (mv 2 /r)+mg на экваторе, a F = mg на полюсе. Это означает, что g изменяется с изменением широты по мере того, как радиус орбиты изменяется от r в точке С до нуля в точке А.
Интересно представить, что бы слу-чилось, если бы скорость вращения Земли увеличилась настолько, что цен-тростремительная сила, действующая на тело на экваторе, стала бы равной силе притяжения, т. е. mv 2 /r = F = GMm/r 2 . Общая гравитационная сила использовалась бы исключитель-но для удержания тела в точке С на круговой орбите, и не осталось бы силы, действующей на поверхность Земли. Любое дальнейшее увеличе-ние скорости вращения Земли позво-лило бы телу «уплыть» в простран-ство. Вместе с тем если космический корабль с астронавтами на борту запущен на высоту R над центром Земли со скоростью v, такой, что вы-полняется равенство mv*/R=F = GMm/R 2 , то этот космический ко-рабль будет вращаться вокруг Земли в условиях невесомости.
Точные измерения ускорения сво-бодного падения g показывают, что g изменяется с изменением широты, как показано в таблице 3.1. Отсюда сле-дует, что вес некоторого тела изме-няется над поверхностью Земли от максимума на широте 90° до миниму-ма на широте 0°.
На этом уровне обучения обычно пренебрегают небольшими изменения-ми в ускорении g и используют сред-нюю величину 9,81 м-с 2 . Для упро-щения расчетов ускорение g часто при-нимают за ближайшее целое число, т. е. 10 м-с - 2 , и, таким образом, сила притяжения, действующая со сто-роны Земли на тело массой 1 кг, т. е. вес, принимается за 10 Н. Большин-ство экзаменационных комиссий для экзаменуемых предлагает использо-вать с целью упрощения вычислений g=10 м-с - 2 или 10 Н-кг -1 ".