Семнадцатый век недаром называют веком великих астрономических открытий. Многолетние наблюдения Галилея, Коперника, Тихо Браге дали возможность сформировать Иоганну Кеплеру законы движения небесных тел. Для того чтобы объяснить, почему планеты находятся в бесконечном движении, что заставляет их оставаться на своей орбите и что такое сила тяжести, понадобился гений - Исаак Ньютон.
Гипотезы гения
Свои законы о движении Исаак Ньютон сформулировал не для теории, а для практического применения. Обобщая данные многолетних астрономических наблюдений и благодаря своим законам о движении, этот великий ученый смог ответить на вопрос, который ставил в тупик не одно поколение ученых: «Что удерживает планеты на своих орбитах?» Ведь до Ньютона учеными выдвигались разные предположения - от хрустальных сфер до магнитных флюидов. Благодаря первому закону Ньютона стало ясно, что для равномерного прямолинейного движения сила не нужна. Сила необходима для того, чтобы заставить планеты двигаться по криволинейной орбите. Если применить формулу силы из второго закона Ньютона, то она будет равна произведению ускорения на массу. Ньютон пришел к выводу, что ускорение должно быть равным v 2 /R. Так более легкое небесное тело, Луна например, будет вращаться вокруг более тяжелого, но никогда не станет к нему приближаться. Это можно представить себе как падение с касательной к окружности на саму окружность. В точке соприкосновения скорость может быть постоянной или равной нулю, но ускорение присутствует всегда. Постоянное движение по заданной орбите без отсутствия видимого ускорения - вот ответ Ньютона на вопрос о движении планет.
Притяжение
Так, Луна движется вокруг Земли, а Земля - вокруг Солнца, повинуясь некой силе. Гениальность Ньютона проявилась в том, что он объединил силу притяжения небесных тел с силой тяжести, которая известна каждому жителю Земли. Существует легенда, что к правильным выводам Ньютона подтолкнуло обычное яблоко, упавшее ему на голову. Притяжение яблока и Луны к Земле описывается по абсолютно одинаковым законам - сделал вывод исследователь. Свое второе название сила тяжести получила от слова «гравис», что означает «вес».
Гравитация
Обобщив законы движения планет, Ньютон выяснил, что сила их взаимодействия может быть вычислена по формуле:
Где m 1 m 2 - 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.
Значение закона притяжения
Данный закон универсален и может применяться к любым двум телам, имеющим массу. В случае, когда масса одного взаимодействующего тела много больше массы другого, можно говорить о частном случае гравитационной силы, для которого имеется специальный термин "сила тяжести". Это понятие применяется для задач, вычисляющих силу притяжения на Земле или других небесных телах. Если подставить значение силы тяжести в формулу второго закона Ньютона, то получим значение F=ma. Здесь а - ускорение силы тяжести, которое заставляет тела стремиться друг к другу. В задачах, связанных с использованием ускорения свободного падения, его обычно обозначают буквой g. С помощью разработанного им интегрального исчисления Ньютон математически доказал, что сила тяжести в шаре всегда сосредоточена в центре большего тела. В паре яблоко-Земля вектор ускорения направлен к центру земли, в паре Земля-Солнце направлен к Солнцу и так далее.
Зависимости силы тяжести от широты
Сила тяжести на Земле зависит от высоты тела под поверхностью планеты и от широты, на которой проводится эксперимент. Высота тела влияет на значение R, как видно, чем дальше расстояние от поверхности Земли, тем величина g меньше. Связь силы тяжести с широтой объясняется тем, что Земля имеет форму не шара, а геоида. У полюсов она немного сплюснута. Поэтому расстояние от центра Земли до экватора и до полюса будет разным - до 10 %. Такое расхождение делает весьма неудобным расчеты, например расчеты грузов трансконтинентальных перевозок. Поэтому за основу принимают показатель силы притяжения на средних широтах 9,81 м/с 2 .
Вес тела
В быту широко применяется такое понятие, как вес тела. В физике он обозначается буквой P. Вес - это сила, с которой тело давит на опору. В бытовом понятии вес часто подменяется понятием «масса», хотя это совершенно разные величины. В зависимости от того, какое значение принимает сила тяжести, изменяется и вес тела. Например, вес свинцовой детали на Земле и Луне будет отличаться. А вот масса остается неизменной и на Земле, и на Луне. Кроме этого, в определенных случаях вес тела может быть нулевым. Вес - величина, имеющая направление, а масса - скаляр.
Но так как согласно третьему закону Ньютона действие равно противодействию, вес тела равен силе реакции опоры.
Так как силу реакции простой опоры измерить довольно трудно, то опыт можно «перевернуть», подвесив какое-либо тело на пружину и измеряя степень растяжения этой пружины. При этом сила, растягивающая пружину с грузом, будет иметь вполне логичное F=mg, где m - масса, а g - ускорение свободного падения.
Перегрузка
Если груз с пружинкой поднять вверх, то ускорение силы тяжести и ускорение подъема будут направлены в противоположные стороны. Представить это можно так: F = m(g+a). Сила тяжести, а соответственно, и его вес, возрастают.
Для увеличения веса, связанного с дополнительным ускорением, существует специальный термин - перегрузка. Действие перегрузки испытывал каждый из нас, поднимаясь на лифте или взлетая на самолете. Особенно сильную перегрузку испытывают на себе космонавты и летчики сверхзвуковых самолетов при взлете своих летательных аппаратов.
Невесомость
Когда телу придается ускорение в направлении силы тяжести, то есть вниз в нашем случае, тогда F=m(g-a). Так, вес тела становится меньше. В предельном случае, когда a=g и направлены они в разные стороны, можно говорить о нулевом весе, то есть тело падает с постоянной скоростью. Состояние, при котором вес тела является нулевым, называют невесомостью. Человек испытывает состояние невесомости в космическом корабле, когда он движется с выключенными двигателями. Невесомость - обычное состояние для космонавтов и летчиков, летающих на сверхзвуковых самолетах.
Значение силы тяжести
Без силы тяжести не происходило бы многих, кажущихся нам естественными, вещей - не сходили бы лавины с гор, не шли бы дожди, не текли бы реки. Атмосфера Земли сохраняется благодаря силе тяжести. Для сравнения, планеты с меньшей массой, такие как Луна или Меркурий, растеряли свою атмосферу очень быстро и остались беззащитными перед потоком жесткого космического излучения. Атмосфера Земли играла решающую роль при возникновении жизни на Земле, ее видоизменении и сохранении.
Кроме силы тяжести, на Земле действует сила притяжения Луны. Благодаря ее близкому (в космических масштабах) соседству на Земле существуют приливы и отливы, сдвигаются континенты, а многие биологические ритмы совпадают с лунным календарем.
Таким образом, силу тяжести нужно рассматривать не как досадную помеху, а как полезный и необходимый закон природы.
Сила тяжести - это сила, с которой тело притягивается к Земле вследствие Всемирного тяготения. Сила тяжести заставляет все тела, на которые не действуют другие силы, двигаться вниз с ускорением свободного падения, g. Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу, причем, чем больше их массы и чем ближе они расположены, тем притяжение сильнее. Чтобы вычислить силу тяжести, следует массу тела умножить на коэффициент, обозначаемый буквой g, приближенно равный 9,8Н/кг. Таким образом, сила тяжести рассчитывается по формуле
Сила тяжести приблизительно равна силе гравитационного притяжения к Земле (различие между силой тяжести и гравитационной силой обусловлено тем, что система отсчета, связанная с Землей, не вполне инерциальная).
Сила трения.
Сила трения - Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному переме-щению. Направление силы трения противоположно направлению движения.
Различают силу трения покоя и силу трения скольжения. Если тело скользит по какой-либо поверхности, его движению препятствует сила трения скольжения.
, где N — сила реакции опоры, a μ — коэффициент трения скольжения. Коэф-фициент μ зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей и не зависит от веса тела. Коэффициент трения определяется опытным путем.
Сила трения скольжения всегда направлена противоположно движению тела. При изменении на-правления скорости изменяется и направление си-лы трения.
Сила трения начинает действовать на тело, когда его пытаются сдвинуть с места. Если внешняя сила F меньше произведения μN, то тело не будет сдвигаться — началу движения, как принято гово-рить, мешает сила трения покоя. Тело начнет дви-жение только тогда, когда внешняя сила F превы-сит максимальное значение, которое может иметь сила трения покоя
Трение покоя - сила трения, препятствующая возникновению движению одного тела по поверхности другого. В некоторых случаях трение полезно (без трения невозможно было бы ходить по земле человеку, жи-вотным, двигаться автомобилям, поездам и т.д.), в таких случаях трение усиливают. Но в других слу-чаях трение вредно. Например, из-за него изнаши-ваются трущиеся детали механизмов, расходуется лишнее горючее на транспорте и т.д. Тогда с трением борются, применяя смазку или заменяя скольжение на качку.
Силы трения не зависят от координат относительного расположения тел, они могут зависеть от скорости относительного движения соприкасающихся тел. Силы трения являются непотенциальными силами.
Вес и невесомость.
Вес - сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести. При этом возникшие упругие силы начинают действовать на тело с результирующей P, направленной вверх, а сумма сил, приложенных к телу, становится равной нулю.
Сила тяжести прямо пропорциональна массе тела и зависит от ускорения свободного падения, которое максимально у полюсов Земли и постепенно уменьшается при движении к экватору. Сплюснутая у полюсов форма Земли и её вращение вокруг оси приводят к тому, что у экватора ускорение свободного падения приблизительно на 0,5% меньше, чем у полюсов. Поэтому вес тела, измеренный с помощью пружинных весов, будет меньше на экваторе, чем у полюсов. Вес тела на Земле может изменяться в очень широких пределах, а иногда даже исчезать.
Например, в падающем лифте наш вес будет равен 0,а мы будем находится в состоянии невесомости. Однако состояние невесомости может быть не только в кабине падающего лифта, но и на космической станции, вращающейся вокруг Земли. Вращаясь по окружности, спутник движется с центростремительным ускорением, и единственной силой, которая может дать ему это ускорение, является сила тяжести. Поэтому вместе со спутником вращаясь вокруг Земли, мы движемся с ускорением a = g, направленным к её центру. И если мы, находясь на спутнике, встали на пружинные весы, то P = 0. Таким образом, на спутнике вес всех тел равен нулю.
Все мы привыкли в жизни употреблять слово сила в сравнительной характеристике, говоря мужчины сильнее женщин, трактор сильнее автомобиля, лев сильнее антилопы.
Сила в физике определяется как мера изменения скорости тела, которое происходит при взаимодействии тел. Если сила является мерой, и мы можем сравнивать приложение различной силы, значит, это физическая величина, которую можно измерить. В каких единицах измеряется сила?
Единицы измерения силы
В честь английского физика Исаака Ньютона, проделавшего огромные исследования в природе существования и использования различных видов силы, за единицу измерения силы в физике принят 1 ньютон (1 Н). Что же такое сила в 1 Н? В физике не выбирают единицы измерения просто так, а делают специальное согласование с теми единицами, которые уже приняты.
Мы знаем из опыта и экспериментов, что если тело покоится и на него действует сила, то тело под действием этой силы меняет свою скорость. Соответственно, для измерения силы выбирали единицу, которая будет характеризовать изменение скорости тела. И не забываем, что есть еще и масса тела, так как известно, что с одинаковой силой воздействие на различные предметы будет различно. Мяч мы можем кинуть далеко, а вот булыжник улетит на гораздо меньшее расстояние. То есть, учтя все факторы, приходим к определению, что сила в 1 Н будет приложена к телу, если тело массой 1 кг под воздействием этой силы меняет свою скорость на 1 м/с за 1 секунду.
Единица измерения силы тяжести
Также нас интересует единица измерения силы тяжести. Так как мы знаем, что Земля притягивает к себе все тела на ее поверхности, значит, существует сила притяжения и ее можно измерить. И опять-таки, мы знаем, что сила притяжения зависит от массы тела. Чем больше масса тела, тем сильнее Земля его притягивает. Экспериментально установлено, что сила тяжести, действующая на тело массой 102 грамма - это 1 Н. А 102 грамма - это приблизительно одна десятая килограмма. А если быть более точным, то если 1 кг разделить на 9,8 частей, то мы как раз и получим приблизительно 102 грамма.
Если на тело массой 102 грамма действует сила 1 Н, то на тело массой 1 кг действует сила 9,8 Н. Ускорение свободного падения обозначают буквой g. И g равно 9,8 Н/кг. Это сила, которая действует на тело массой 1 кг, ускоряя его каждую секунду на 1 м/с. Получается, что тело, падающее с большой высоты, за время полета набирает очень большую скорость. Почему же тогда снежинки и дождевые капли падают довольно спокойно? У них очень маленькая масса, и тянет их к себе земля очень слабо. А сопротивление воздуха для них довольно велико, поэтому они летят к Земле с не очень большой, довольно одинаковой скоростью. А вот метеориты, например, при подлете к Земле набирают очень высокую скорость и при приземлении, образуется приличный взрыв, который зависит от величины и массы метеорита соотвественно.
Почему мяч, брошенный в горизонтальном направлении (рис. 28), через некоторое время оказывается на земле? Почему камень, выпущенный из рук (рис. 29), падает вниз? Почему прыгнувший вверх человек вскоре снова оказывается внизу? У всех этих явлений одна и та же причина - притяжение Земли. 
Земля притягивает к себе все тела: людей, деревья, воду, дома, Луну и т. д.
Сила притяжения к Земле называется силой тяжести . Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз. Обозначается она так:
F T - сила тяжести.
Когда тело под действием притяжения к Земле падает вниз, на него действует не только Земля, но и сопротивление воздуха. В тех случаях, когда сила сопротивления воздуха пренебрежимо мала по сравнению с силой тяжести, падение тела называют свободным .
Для наблюдения свободного падения различных тел (например, дробинки, перышка и др.) их помещают в стеклянную трубку (трубку Ньютона), из которой откачивают воздух. Если вначале все эти предметы будут находиться на дне трубки, то после ее быстрого перевертывания они оказываются сверху, после чего начинают падать вниз (рис. 30). Наблюдая за их падением, можно заметить, что и свинцовая дробинка, и легкое перышко достигают дна трубки одновременно. Пройдя за одинаковое время один и тот же путь, эти тела с одной и той же скоростью ударяются о ее дно. Происходит это потому, что сила тяжести обладает следующим замечательным свойством: за каждую секунду она увеличивает скорость любого свободно падающего тела (независимо от его массы) всегда на одну и ту же величину .
Измерения показывают, что вблизи поверхности Земли скорость любого свободно падающего тела за каждую секунду падения возрастает на 9,8 м/с. Эту величину обозначают буквой g и называют ускорением свободного падения .
Зная ускорение свободного падения, можно найти силу, с которой Земля притягивает к себе любое, находящееся вблизи нее тело.
Чтобы определить силу тяжести, действующую на тело, надо массу этого тела умножить на ускорение свободного падения:
F T = mg .
Из этой формулы следует, что g = F T /m . Но F T измеряется в ньютонах, a m - в килограммах. Поэтому величину g можно измерять в ньютонах на килограмм:
g = 9,8 Н/кг ≈10 Н/кг.
С увеличением высоты над Землей ускорение свободного падения постепенно уменьшается. Например, на высоте 297 км оно оказывается равным не 9,8 Н/кг, а 9 Н/кг. Уменьшение ускорения свободного падения означает, что и сила тяжести по мере увеличения высоты над Землей также уменьшается. Чем дальше тело находится от Земли, тем слабее она его притягивает.
1. Что является причиной падения всех тел на землю? 2. Какую силу называют силой тяжести? 3. В каком случае падение тела называют свободным? 4. Чему равно ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли? 5. По какой формуле находится сила тяжести? 6. Что произойдет с силой тяжести, ускорением и временем падения при увеличении массы падающего тела в 2 раза? 7. Как изменяются сила тяжести и ускорение свободного падения при удалении от Земли?
Экспериментальные задания.
1. Возьмите в руки лист бумаги и отпустите его. Пронаблюдайте за его падением. Теперь скомкайте этот лист и снова отпустите. Как изменится характер его падения? Почему? 2. Возьмите в одну руку металлический кружок (например, монету), а в другую - бумажный кружок чуть меньшего размера. Одновременно отпустите их. Одинаковое ли время они будут падать? Теперь возьмите в руку металлический кружок и сверху на него положите бумажный (рис. 31). Отпустите кружки. Почему теперь они падают одновременно?
