Connect with us

Физика

Закон всемирного тяготения

Многие связывают закон всемирного тяготения, сформулированный английским физиком Исааком Ньютоном (1643—1727), с легендой о том как на голову ученому упало яблоко. На самом деле ничего на макушку Ньютону не падало, хотя яблоко в этой истории все-таки фигурирует. По записям самого ученого, в 1666 году он приехал домой в Кембридж к родителям и прогуливаясь однажды в их саду, обратил внимание на то как с ветки яблони сорвался плод и грохнулся в траву. Это обыденное явление бросилось в глаза Исааку потому, что он как раз размышлял над законами движения, и его озарило: яблоко притягивается к земле той же силой, которая держит у Земли Луну и вынуждает ходить вокруг нее примерно по одному и тому же маршруту.

Надо заметить, открытие Ньютона выросло на хорошо подготовленной почве. Так в первой половине XVII в. немецкий ученый Иоганн Кеплер (1571—1630) сформулировал три закона движения планет, отображающих главную роль Солнца в этом процессе. Светило окружено целой группой планет, которые движутся вокруг него в одной плоскости и в том же направлении, в котором оно вертится вокруг своей оси. И чем дальше планета от Солнца, тем больше времени уходит у нее на один полный круг. Кроме того, воображаемый луч соединяющий Солнце с планетой, за равные отрезки времени преодолевает одинаковые по площади сектора орбиты. Не значит ли это что Солнце действует на планеты какой-то силой, которая распространяется по прямым и в отличие от света, не выходит за рамки одной плоскости? — рассуждал Кеплер. Очевидно же что по мере отдаления от источника эта сила убывает, потому дальние планеты не могут двигаться так же быстро, как ближние к светилу. Ученый предположил, что именно тяжесть тел притягивает их друг к другу, словно магнетизм, однако есть еще и другие силы, которые разъединяют тела, не позволяя им склеиться. Благодаря этим силам Луна не падает на Землю, а вода с Земли не переливается на Луну.

Чуть позже итальянец Галилео Галилей открыл закон, согласно которому тело будет двигаться с неизменной скоростью, пока к нему не приложат стороннюю силу (проще говоря, пока не подтолкнут либо не остановят). И если толкнуть объект общими усилиями (например, в четыре руки), то его ускорение сложится из всех ускорений, заданных толкателями. В 1660-е голландский физик Христиан Гюйгенс разработал теорию центробежной силы, направленной от центра вращения наружу. А соотечественник Галилея, физик Джованни Борелли в 1666 г. высказал догадку о том. что все небесные тела (планеты, спутники, звезды) склонны притягиваться между собой, но в то же время круговое движение сообщает им силу, которая отталкивает их от центра вращения.

Если бы обе эти силы — притяжения и отталкивания — были равны, то планеты держали бы неизменную дистанцию от Солнца, а спутники ходили бы около своих планет по четкой кольцевой траектории. Но между тем они двигаются по эллипсам, то удаляясь от центра, то приближаясь к нему! Почему так происходит? А потому, что силы, действующие на тела, постоянно перевешивают то в одну, то в другую сторону. Современным языком, возникает эффект американских горок: планета делает поворот на таком расстоянии, что ее стремление к центру перевешивает центробежную силу, — тело с ускорением «съезжает» вниз, в сторону Солнца, а затем по инерции «взлетает» в противоположную сторону — центробежная сила побеждает силу притяжения. И дальше все повторяется.

Невзирая на такие здравые мысли, и Кеплер, и Галилей, и Борелли и все их современники ошибочно думали, будто на Земле действуют свои законы тяготения, а в космосе — свои, поскольку небо якобы устроено более совершенно, нежели земной мир.

Только Ньютон догадался, что гравитация всюду работает одинаково — ей подчиняется как яблоко на Земле, так и Луна в небе. Наша планета — неотъемлемая, полноправная часть Вселенной, поэтому, согласно закону Ньютона, она притягивается к Солнцу той же силой, которой люди притягиваются к ней. Да и вообще, любая пара элементов Вселенной (будь то планета и планета, планета и звезда. Земля и океан, человек и звезда, человек и любой земной предмет, камни, пылинки и пр.) стремятся соединиться, поскольку на них действует сила притяжения. Величина этой силы прямо пропорциональна массам обоих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (то есть чем массивнее тела и чем меньше дистанция между ними, тем сильнее они притягиваются).

Кроме того, в эту формулу ученый ввел гравитационную постоянную — силу притяжения двух тел массой в килограмм, расположенных за метр одно от другого. Чтобы найти этот показатель, английский физик Генри Кавендиш (1731—1810) взял крутильные весы — подвешенную на нити длинную жердь с маленькими шариками на концах — и установил по бокам от этих шариков два больших массивных шара. По углу отклонения первых под влиянием притяжения вторых ученый вычислил искомую постоянную (6.67×10-11 H). При этом все приборы он поставил в ящик и закрыл в защищенной от сквозняка комнате, а за процессом наблюдал из другой комнаты через телескоп.

С помощью своей формулы Ньютон смог рассчитать ускорение свободного падения, которое до него экспериментально нашел Галилей, сбрасывая с Пизанской башни ядра и пули. Вместо масс двух взаимодействующих тел Ньютон просто подставил в формулу массу Земли, а вместо дистанции между этими телами — земной радиус. Вышло, что ускорение, с которым падают тела, можно найти, разделив массу Земли на квадрат ее радиуса и умножив на гравитационную постоянную.

Понять связь между земной силой тяжести и вселенской силой тяготения можно на таком примере. Представим мальчика, который стоит на горке и швыряет камешки. Если он просто бросит камень вниз, тот притянется силой тяжести Земли и упадет на ее поверхность с равномерным ускорением. Если паренек со всего размаху запустит камень вдаль, тот изначально получит хорошее ускорение и некоторое время пролетит по прямой. Но поскольку сопротивление воздуха постепенно будет убавлять скорость камешка. Земля своей силой тяжести в конце концов притянет его к себе по дуговой траектории. Если же воздух не станет препятствовать движению камня, тот по инерции захочет полететь прямо, по касательной к поверхности Земли, однако сила ее тяготения (гравитация) завернет снаряд к себе. Возникнет взаимодействие центробежной и центростремительной сил — камень полетит по круговой орбите, параллельно земной поверхности. То же самое происходит и со всеми небесными телами.

Таким образом. Ньютон смог математически доказать кеплеровские законы движения планет, сформулированные только лишь на основе наблюдений, и подвести под них теоретическую базу в виде собственного закона всемирного тяготения. Это окончательно объединило земное и небесное в единую целостную систему.

Наш канал в Телеграм
Продолжить чтение
Click to comment
Подписаться
Уведомление о

0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments
Болезни3 дня назад

Контрактура Дюпюитрена: Загадочное сжатие рук

Медицина1 неделя назад

Вызов на дом нарколога

История1 неделя назад

Как Матильда Тосканская стала защитницей папы римского

Оккультизм и Религия2 недели назад

Пастухи первыми узнали о рождении Христа?

История2 недели назад

Франсуа Дювалье натравливал на оппонентов «живых мертвецов»

История2 недели назад

Водяные насосы работали еще в Вавилоне

История2 недели назад

Почему империя Тан является лучшим временем Поднебесной

История2 недели назад

Пират Генри Морган стал вице-губернатором Ямайки

История2 недели назад

Почему рейхсканцлер Брюнинг не спас Германию от нацизма

Медицина2 недели назад

Сколько сейчас стоит поставить зуб?

История2 недели назад

Почему дачные участки считались предметом роскоши

Города и страны2 недели назад

Часовня Сент-Шапель была хранилищем святынь и зерна

Copyright © 2024 "Мир знаний"