Gaya interaksi gravitasi antara dua bola bermassa homogen. Interaksi gravitasi

Dipercaya bahwa setiap benda fisik di alam semesta memiliki medan gravitasinya sendiri. Medan gravitasi ini terbentuk sebagai kumpulan medan gravitasi semua partikel, atom, dan molekul yang menyusun tubuh fisik ini. Tergantung pada massa, kepadatan dan karakteristik lainnya tubuh fisik medan gravitasi beberapa benda fisik berbeda dengan yang lain. Tubuh fisik yang lebih besar mempunyai lebih kuat dan lebih luas medan gravitasi dan mampu menarik tubuh fisik lain yang lebih kecil. Arti kekuatan mereka saling tertarik satu sama lain ditentukan oleh undang-undang gravitasi universal I. Newton - gravitasi. Hal ini berlaku untuk semua benda fisik di alam semesta.

Jadi ada apa? arti fisik gravitasi tubuh fisik? Apa yang tidak sempat diberitahukan oleh si jenius hebat I. Newton kepada kita?

Mari kita coba memperjelas masalah ini. Dalam teorinya, I. Newton tidak mempertimbangkan partikel, tetapi pertama-tama, planet dan bintang. Kita, sebelum beralih ke interaksi gravitasi antara planet dan bintang di Alam Semesta, sudah mempunyai gambaran tentangnya interaksi gravitasi partikel, mari kita coba memahami interaksi gravitasi antara benda-benda fisik di Bumi dan memahami apa arti fisika umum dari gravitasi.

Anggapan

aku percaya itu arti fisik gravitasi V pandangan umum terdiri dari keinginan terus-menerus dari wilayah eterik yang dijernihkan dari tubuh fisik untuk berpindah ke keadaan seimbang dengan lingkungan eterik di sekitarnya, mengurangi keadaan tegangnya, karena daya tarik wilayah eterik yang dijernihkan dari tubuh fisik lainnya ke dalam wilayah eteriknya. penghalusan.

Jika kita mempertimbangkan interaksi gravitasi planet kita dan benda fisik lain yang terangkat di atas bumi atau datang kepada kita dari luar angkasa, maka kita dapat menyatakan bahwa benda fisik lain selalu jatuh ke permukaan bumi. Biasanya, dalam hal ini, kita mengatakan bahwa Bumi, karena gravitasi, menarik benda-benda fisik ke dirinya sendiri. Namun, belum ada yang mampu memahami dan menjelaskan mekanisme atraksi tersebut.

Pada saat yang sama, entitas fisik fenomena misterius ini dijelaskan oleh fakta yang dijernihkan media halus di dekat permukaan bumi ia lebih dijernihkan daripada di tempat yang jauh darinya. Dengan kata lain, medan gravitasi dan gaya tarik bumi di permukaannya lebih kuat dibandingkan pada jarak dari planet. Perhatikan bahwa kita hanya berbicara tentang lingkungan halus, dan bukan tentang atmosfer bumi, yang di dalamnya terdapat atom, molekul, dan partikel terkecil dari berbagai zat kimia. Pengisian lingkungan halus dengan zat-zat kimia inilah yang memberikan kepadatan tambahan pada lingkungan halus di atmosfer bumi.

Medium halus itu sendiri tidak hanya terdiri dari atmosfer bumi. Itu benar-benar tanpa hambatan menembus seluruh tubuh planet ini. Semua partikel yang menyusun segala sesuatu yang ada di Bumi dan apa yang ada di dalamnya, termasuk atmosfer, kerak bumi, mantel, dan intinya, berputar dalam pusaran halus yang tidak berhenti selama miliaran tahun. Pada saat yang sama, rotasi planet, serta rotasi semua planet dan bintang di Alam Semesta, dipastikan oleh pengaruh pusaran halusnya. Lingkungan halus bumi berputar selaras dengan bumi dan atmosfernya.

Penghalusan medium halus hanya bergantung pada jarak ke pusat bumi dan tidak bergantung pada kepadatan kerak bumi atau jubah. Oleh karena itu, indikator gaya gravitasi bumi juga tidak bergantung pada kepadatan batu, air atau udara, tetapi hanya pada jarak dari pusat planet kita mengukur gaya ini.

Hal ini cukup sederhana untuk dibuktikan dengan menggunakan data percepatan gravitasi benda fisik (akselerasi jatuh bebas) pada berbagai jarak dari permukaan planet. Misalnya di permukaan bumi sama dengan 9,806 m/detik 2, pada ketinggian 5 km - 9,791 m/detik 2, pada ketinggian 10 km - 9,775 m/detik 2, 100 km - 9,505 m/detik 2, 1000 km - 7,36 m/detik 2,

10.000 km - 1,5 m/s 2 , dan pada ketinggian 400.000 km - 0,002 m/s 2 .

Data tersebut menunjukkan bahwa dengan bertambahnya jarak dari pusat bumi, maka kepadatan medium halus juga meningkat, yang menyebabkan penurunan percepatan gravitasi dan gaya gravitasi bumi.

Semakin dekat ke pusat planet, penghalusan lingkungan halus semakin meningkat. Peningkatan penghalusan lingkungan halus menentukan peningkatan percepatan gravitasi, dan akibatnya, berat benda. Ini menegaskan pemahaman kita tentang esensi fisik gravitasi.

Ketika benda fisik lain jatuh ke dalam medan gravitasi sebuah planet, ia berada pada posisi di mana lingkungan halus di atas benda yang jatuh selalu lebih padat daripada lingkungan halus di bawah benda tersebut. Kemudian, lingkungan halus yang lebih padat akan mempengaruhi tubuh, memindahkannya dari lingkungan yang lebih padat ke lingkungan yang kurang padat. Tubuh tampaknya terus-menerus kehilangan dukungan di bawahnya dan “jatuh” di angkasa menuju tanah.

Diketahui nilai percepatan benda jatuh bebas di ekuator adalah 9,75 m/s 2, maka kurang dari nilainya indikator ini di kutub bumi yang mencapai 9,81 m/detik 2. Para ilmuwan menjelaskan perbedaan ini dengan perputaran harian bumi pada porosnya, penyimpangan bentuk bumi dari bola, dan distribusi kepadatan batuan bumi yang heterogen. Faktanya, hanya bentuk spesifik planet yang dapat diperhitungkan. Selebihnya, jika berpengaruh terhadap nilai percepatan gravitasi di ekuator dan di kutub, sangat-sangat tidak signifikan.

Namun, pandangan kita tentang gravitasi dan alasan manifestasinya akan terkonfirmasi dengan baik jika kita membayangkan bidang klasik titik-titik yang jauh yang dari pusat bumi akan terletak di garis khatulistiwa. Dalam hal ini, di kutub dari permukaan bola spekulatif klasik ini ke permukaan bumi, terbentuk jarak 21,3 km. Hal ini mudah dijelaskan oleh bentuk planet yang agak pipih. Oleh karena itu, jarak permukaan bumi di kutub ke pusat bumi lebih kecil dibandingkan jarak yang sama di ekuator. Tapi kemudian, sesuai dengan pandangan kami, lingkungan halus di kutub planet ini lebih tipis dan, akibatnya, medan gravitasinya lebih kuat, sehingga menyebabkan lebih banyak partikel. tarif tinggi pada percepatan jatuh bebas.

Hal ini terjadi karena wilayah yang dijernihkan dari tubuh fisik yang lebih masif pada awalnya menangkap wilayah eterik yang dijernihkan dari tubuh fisik lain, dan kemudian membawa tubuh fisik itu sendiri, yang memiliki massa lebih kecil atau jumlah eter padat yang lebih kecil, lebih dekat ke dirinya sendiri.

Karena kenyataan bahwa tidak mungkin meredakan ketegangan lingkungan halus dengan menarik benda fisik baru ke dalam medan gravitasi benda fisik masif, karena dalam hal ini massanya hanya akan bertambah, dan akibatnya, medan gravitasi hanya akan bertambah. berkembang, keinginan ini akan bertahan terus menerus, terjamin keteguhan gravitasi benda fisik. Oleh karena itu, suatu benda fisik, yang menarik benda fisik lain ke dirinya sendiri, hanya akan meningkatkan massanya, dan akibatnya, medan gravitasinya.

Di ruang eterik Alam Semesta, proses ini akan terjadi hingga gaya gravitasi suatu planet atau bintang seimbang dengan gaya gravitasi planet dan bintang lain, serta dengan inti galaksi dan inti Alam Semesta. Dalam hal ini, semua planet atau bintang akan berada dalam keadaan tegang namun seimbang satu sama lain.

Gaya gravitasi antar benda fisik mulai terwujud sejak medan gravitasi benda tersebut bersentuhan. Berdasarkan hal ini, kita dapat percaya bahwa gravitasi memang ada jarak jauh. Pada saat yang sama, interaksi gravitasi mulai terwujud hampir seketika dan, tentu saja, tanpa partisipasi graviton atau partikel lain yang tidak diketahui.

Dari semua ini dapat disimpulkan bahwa Bukan benda fisik yang berinteraksi, tetapi medan gravitasinya berinteraksi, yang ketika berubah bentuk, akan menarik benda fisik satu sama lain.. Maaf, tapi ini bertentangan dengan ketentuan hukum I. Newton yang terhormat, yang mendalilkan gaya tarik-menarik massa tubuh fisik dan yang dengan sungguh-sungguh telah melayani dan melayani umat manusia selama lebih dari satu abad!

Saya tidak akan terlalu mendramatisasi situasi ini. Pernyataan kami tidak menolak hukum ilmuwan yang sangat dihormati. Mereka hanya mengungkapkan esensi fisiknya, sehingga pertanyaan tentang perwujudan hukum-hukum ini sama sekali tidak tersentuh.

Dan memang demikian adanya. Namun menurut hukum I. Newton, setiap benda fisik mempunyai medan gravitasinya sendiri dan berinteraksi dengan benda fisik lain sesuai dengan massanya dan jarak antar pusatnya. Pada saat yang sama, I. Newton, pertama-tama, memikirkan interaksi planet dan bintang. Para pengikut ilmiahnya secara mekanis mentransfer ciri-ciri interaksi planet dan bintang ke interaksi benda fisik apa pun, berdasarkan universalitas hukum gravitasi universal.

Pada saat yang sama, mereka tidak mengabaikan fakta bahwa di planet kita, Bumi secara teratur menarik benda fisik apa pun, namun tubuh fisik itu sendiri tidak terlalu bercita-cita satu sama lain. Kecuali, tentu saja, magnet. Rupanya, agar tidak melanggar idyll ilmiah dan tidak mempertanyakan hukum gravitasi universal, para ilmuwan mendalilkan bahwa massa benda fisik di sekitar kita di planet kita pada skala universal sangatlah kecil dan oleh karena itu gaya gravitasi ketika mereka mendekat. satu sama lain sangat, sangat lemah.

Namun, kita dapat mencoba untuk mendekatkan tubuh fisik zat apa pun yang dipoles dengan hati-hati satu sama lain, secara praktis menghilangkan adanya jarak di antara mereka. Tampaknya, sesuai dengan hukum, gaya gravitasi seharusnya muncul dan mengejutkan kita dengan kehadirannya yang tak terbagi dan kekuatannya yang berani. Tapi ini tidak terjadi. Gaya gravitasi secara sederhana dan tanpa banyak antusiasme diam-diam mengamati upaya kita dari sudut terjauh dari setiap tubuh fisik yang berinteraksi. Apa masalahnya? Bagaimana keluar dari situasi sulit ini. Lagi pula, ada hukumnya? Makan. Apakah itu bekerja? Sah. Jadi semuanya baik-baik saja?!

Tidak, itu tidak normal. Jika kita berpegang pada pernyataan ini, maka banyak benda yang terletak bersebelahan akan “bersatu” dalam sekejap, mengisi hidup kita dengan masalah-masalah sedemikian rupa sehingga umat manusia, tanpa perlawanan dalam waktu lama, sudah lama menghentikan keberadaan mimpi buruknya.

Seseorang dapat menolak dan merujuk pada fakta bahwa tubuh fisik ini sangatlah kecil. Itu sebabnya mereka tidak menarik. Namun hal ini tidak terlalu meyakinkan. Mengapa? Karena pegunungan Tibet yang luas, bahkan dalam skala Bumi, sudah lama berkumpul di puncak-puncaknya yang keras semua pesawat yang terbang melewatinya dan tidak akan membiarkan para pelancong dan pendaki yang tak kenal lelah, karena manifestasi kuat gaya gravitasi mereka, untuk mengangkat peralatan yang paling ringan sekalipun. Dan kecil kemungkinannya ada orang yang mencurigai Tibet yang keras karena ukuran, kepadatan, atau massanya tidak memadai.

Apa yang harus dilakukan? Koefisien yang cukup meragukan kembali membantu penganut rumus mahakuasa dalam bentuk "konstanta gravitasi" - wanita "G" yang tidak sepenuhnya meyakinkan, sama dengan sekitar 6,67x10 -11 kg -1 m 3 detik -2. Kehadiran konstanta ini dalam rumus I. Newton segera mengubah nilai gaya apa pun menjadi tidak ada sama sekali. Mengapa nomor khusus ini? Hanya karena umat manusia tidak dapat memberikan indikator yang sebanding mengenai massa benda fisik mana pun di planet kita. Oleh karena itu, dilihat dari nilai konstanta ini, gaya tarik menarik benda fisik apa pun di Bumi akan sangat kecil. Dan ini akan dengan sempurna menjelaskan kurangnya interaksi yang terlihat antara benda-benda fisik di Bumi.

Mengapa 10 -11 kg -1? Ya, karena massa bumi yang tentunya menarik semua benda fisik tanpa terkecuali (tidak mungkin disembunyikan) kira-kira 6x10 24 kg. Oleh karena itu, hanya untuknya 10 -11 kg -1 dapat dengan mudah diatasi. Berikut adalah solusi orisinal untuk masalah tersebut.(((

Karena tidak dapat menjelaskan inti masalahnya, para pakar, seperti yang sering terjadi, memasukkan nilai konstanta tertentu ke dalam rumus, yang, tanpa menyelesaikan masalah, memungkinkan penambahan proses fisik atau fenomena alam beberapa kejelasan pseudo-ilmiah.

Ngomong-ngomong, I. Newton sepertinya tidak ada hubungannya dengan ini. Dalam karyanya ketika mengembangkan hukum gravitasi universal, ia tidak pernah menyebutkan adanya konstanta gravitasi. Orang-orang sezamannya juga tidak menyebutkannya. Konstanta gravitasi pertama kali diperkenalkan ke dalam hukum gravitasi universal hanya pada awal abad ke-19. fisikawan Perancis, matematikawan dan mekanik S.D. racun. Namun, sejarah belum mencatat satu pun ilmuwan yang mau bertanggung jawab atas metode perhitungannya dan nilai-nilai yang diterima secara umum.

Sejarah mengacu pada fisikawan Inggris Henry Cavendish, yang pada tahun 1798 mengemukakan eksperimen unik menggunakan neraca torsi. Namun perlu dicatat bahwa G. Cavendish melakukan eksperimennya hanya dengan tujuan untuk menentukan kepadatan sedang Dia tidak pernah berbicara atau menulis tentang Bumi dan tentang konstanta gravitasi apa pun. Selain itu, saya tidak menghitung nilai numeriknya.

Indikator numerik dari konstanta gravitasi diduga dihitung jauh kemudian berdasarkan perhitungan G. Cavendish tentang kepadatan rata-rata Bumi, tetapi siapa dan kapan menghitungnya tetap menjadi misteri, begitu pula untuk apa semua ini diperlukan.

Dan, tampaknya, untuk benar-benar membingungkan umat manusia dan entah bagaimana keluar dari hutan kontradiksi dan inkonsistensi, di zaman modern dunia ilmiah dipaksa dengan kedok transisi ke single sistem metrik langkah-langkah untuk mengambil konstanta gravitasi yang berbeda untuk yang berbeda sistem ruang angkasa. Jadi, ketika menghitung orbit, misalnya satelit relatif terhadap Bumi, digunakan konstanta gravitasi geosentris sebesar GE = 3,98603x10 14 m 3 s -2 dikalikan massa Bumi, dan untuk menghitung orbit benda langit relatif terhadap Matahari, konstanta gravitasi lain digunakan - heliosentris, sama dengan GSs = 1,32718x10 20 m 3 detik -2 dikalikan massa Matahari. Ternyata menarik, hukum itu satu dan universal, tapi peluang konstan- berbeda! Bagaimana bisa sesuatu yang “permanen” yang disegani itu ternyata bersifat tidak permanen?!!

Jadi apa yang harus kita lakukan? Apakah situasinya tidak ada harapan dan oleh karena itu kita harus menerimanya? TIDAK. Anda hanya perlu kembali ke dasar dan mendefinisikan konsepnya. Faktanya adalah itu segala sesuatu yang ada di muka bumi ini berasal darinya, menjadi miliknya dan akan masuk ke dalamnya. Semuanya - gunung, laut dan samudera, pohon, rumah, pabrik, mobil, dan Anda dan saya - semua ini ditambang, dipelihara, dipelihara dan dipelihara di Bumi dan diciptakan dari Bumi. Semua ini hanyalah realitas virtual yang berbeda e kombinasi variabel dari sejumlah besar atom dan molekul yang hanya dimiliki planet kita.

Bumi diciptakan dari partikel dan atom dan merupakan sistem yang sepenuhnya independen dan hampir sepenuhnya tertutup. Selama pembentukannya, setiap partikel dan setiap atom, yang menciptakan medan gravitasi tunggal planet ini, pada dasarnya “mentransfer” semua gaya gravitasinya ke dalamnya.

Oleh karena itu, di Bumi terdapat satu medan gravitasi, yang dengan cermat menjaga segala sesuatu yang ada sumber daya bumi, tanpa melepaskan dari planet apa yang pernah dibawa ke planet ini. Oleh karena itu, seluruh benda dan segala sesuatu yang ada di Bumi bukanlah zat gravitasi independen dan tidak dapat memutuskan apakah akan menggunakan kemampuan gravitasinya atau tidak saat berkomunikasi dengan benda fisik lainnya. Oleh karena itu, benda fisik di Bumi hanya jatuh ke bawah, ke permukaannya, dan tidak ke atas, ke kiri atau ke kanan, bergabung dengan yang lain tubuh besar. Oleh karena itu, tidak ada benda fisik di Bumi, dari sudut pandang gravitasi, yang dapat disebut independen.

Bagaimana dengan roket? Bisakah mereka disebut tubuh fisik yang independen? Meskipun mereka ada di Bumi, tidak, itu tidak mungkin. Tapi jika mereka mengatasi gravitasi bumi dan melampaui medan gravitasi planet, maka ya, hal itu mungkin terjadi. Hanya dalam kasus ini mereka akan mampu menjadi benda fisik yang mandiri dalam kaitannya dengan Bumi, dengan membawa serta bagian masing-masing dari medan gravitasi. Bumi akan mengecil ukuran dan massanya sebesar ukuran dan massa roket. Medan gravitasinya juga akan berkurang secara proporsional. Hubungan gravitasi antara roket dan Bumi tentu saja akan terputus.

Lalu bagaimana dengan berbagai meteorit yang sering mengunjungi Bumi kita? Apakah mereka merupakan tubuh fisik yang independen atau tidak? Selama mereka berada di luar medan gravitasi bumi, mereka bersifat independen. Namun ketika mereka memasuki medan gravitasi planet, mereka, yang memiliki lingkungan halus yang lebih sedikit, akan berinteraksi dengan lingkungan halus Bumi yang lebih halus.

Namun interaksi medan gravitasi bumi dan meteorit berbeda dengan interaksi medan gravitasi gumpalan pusaran halus yang ukurannya hampir sama satu sama lain. Hal ini disebabkan adanya perbedaan besar dalam ukuran medan gravitasi bumi dan meteorit. Medan gravitasi meteorit, ketika berinteraksi dengan medan gravitasi bumi, praktis tidak berubah bentuk, tetapi sisa meteorit diserap oleh medan gravitasi bumi.

Medan gravitasi meteorit tampaknya jatuh ke dalam medan gravitasi bumi, karena ketika mendekati permukaan bumi, lingkungan halusnya menjadi semakin tipis. Dan semakin dekat ke Bumi, lingkungannya menjadi semakin tipis dan semakin cepat meteorit tersebut bergerak menuju planet ini. Bumi berusaha untuk menggantikan lingkungannya yang langka dengan alien tak terduga dari luar angkasa, sehingga menciptakan efek seperti meteorit yang tertarik ke permukaannya.

Setelah mencapai permukaan bumi, meteorit tersebut tidak kehilangan medan gravitasinya meskipun diangkut ke sana ruang angkasa, ia akan meninggalkan Bumi dengan medan gravitasinya. Namun di Bumi ia kehilangan kemandiriannya terhadap tubuh fisik. Sekarang menjadi milik Bumi, medan gravitasinya ditambahkan ke medan gravitasi Bumi, dan massa Bumi bertambah sebesar massa meteorit tersebut.

Oleh karena itu, kami terpaksa menyatakan bahwa, karena berada di planet, semua benda fisik dari sudut pandang gravitasi tidak dapat menjadi benda fisik yang berdiri sendiri. Kemampuan gravitasinya berada dalam batas kemampuan gravitasi planet, yang merupakan generator utama interaksi gravitasi.

Oleh karena itu, hukum gravitasi universal benar-benar adil untuk seluruh sistem universal dan tidak memerlukan konstanta tambahan, bahkan konstanta gravitasi.

Anggapan

Dengan demikian, medan gravitasi suatu benda fisik- ini adalah wilayah eterik yang dijernihkan dan tegang tidak merata, yang merupakan bagian dari tubuh fisik dan muncul sebagai akibat dari konsentrasi media eterik yang berputar di dalam tubuh fisik itu sendiri.

Medan gravitasi benda fisik mana pun, untuk mencapai keseimbangan dengan lingkungan halus elastis di sekitarnya, cenderung meningkatkan kepadatannya, menarik daerah halus dari benda fisik lainnya. Interaksi medan gravitasi benda fisik satu sama lain menimbulkan efek tarik-menarik benda fisik. Efek ini adalah aksi gaya gravitasi atau interaksi gravitasi benda fisik independen.

Ruang halus yang dijernihkan selalu berusaha untuk mengembalikan keadaan homogen awal dari lingkungan halus karena penambahan lingkungan halus dari tubuh fisik lainnya. Ketika suatu benda fisik atau benda fisik lainnya muncul di medan gravitasi eterik, yang juga memiliki medan gravitasi eteriknya sendiri, tetapi dengan massa yang lebih kecil, benda fisik pertama cenderung “menyerapnya” dan menahannya dengan gaya yang bergantung pada massanya. benda-benda ini dan jarak di antara mereka.

Akibatnya, dalam medan gravitasi eterik, ketika dua atau lebih benda fisik muncul di dalamnya, a proses gravitasi mereka interaksi, yang mengarahkan mereka satu sama lain. Gaya gravitasi hanya bertindak untuk mendekatkan beberapa benda fisik atau benda ke benda lain.

Sekali lagi saya harus mengakui bahwa semua ini hanya mungkin terjadi kondisi ideal ketika tubuh fisik tidak dipengaruhi oleh gaya gravitasi bumi. Di Bumi, hanya ada medan gravitasi semua benda fisik bagian yang tidak terpisahkan satu medan gravitasi planet dan tidak dapat memanifestasikan dirinya dalam hubungannya satu sama lain.

Oleh karena itu, di planet ini, benda fisik tidak memiliki medan gravitasi tersendiri dan hanya memiliki interaksi gravitasi dengan Bumi.

Menaikkan tubuh fisik ke ketinggian berapa pun, kita melakukan suatu pekerjaan dan mengeluarkan energi tertentu. Beberapa orang percaya bahwa dengan mengangkat suatu benda, kita mentransfer energi yang setara dengan energi yang dikeluarkan untuk mengangkatnya ke ketinggian tertentu. Saat terjatuh, tubuh fisik melepaskan energi ini.

Tapi itu tidak benar.

Kita tidak mentransfer energi ke sana, tetapi kita menghabiskan energi kita untuk mengatasi gaya gravitasi bumi. Apalagi kami terkesan melanggar kursus biasa peristiwa di Bumi, mengubah lokasi tubuh fisik relatif terhadap planet. Bumi dengan tepat bereaksi terhadap aib yang tidak sejalan dengannya ini dan berusaha mengembalikan benda apa pun ke permukaannya, segera menyalakan gaya gravitasinya.

Gaya gravitasi yang bekerja pada benda yang terangkat sama seperti ketika benda tersebut berada di Bumi, namun seiring bertambahnya jarak dari permukaan bumi, besarnya akan semakin kecil dibandingkan gaya gravitasi awal. Benar, tidak akan mudah untuk menyadarinya karena kecilnya perubahan parameter gaya ini. Jika kita mengangkat benda ini hingga ketinggian 450 kilometer di atas bumi, maka gaya gravitasi akan berkurang secara signifikan dan benda tersebut akan berada dalam keadaan tidak berbobot.

Di sini kita bertemu gravitasi, yaitu. Dengan pengaruh lingkungan halus gravitasi planet kita ke dalam tubuh fisik. Benda yang terangkat berada dalam medan gravitasi eterik planet, yang vektornya diarahkan ke pusat bumi. Semakin dekat tubuh fisik ke Bumi, semakin besar pula efeknya interaksi gravitasi lebih kuat. Semakin jauh, semakin sedikit. Oleh karena itu pada jarak jauh interaksi gravitasi juga akan terwujud, tetapi tidak begitu jelas.

Namun, ketika jatuh ke Bumi, tubuh fisik berinteraksi dengannya dengan cara yang sama seperti dua benda berinteraksi di ruang angkasa. Gaya gravitasi bumi bekerja pada tubuh, menggerakkannya di luar angkasa, mengembalikannya ke bumi yang fana.

Apa jadinya jika kita mempengaruhi tubuh lama, bergerak semakin jauh dari Bumi, dan akhirnya melampauinya tata surya? Apakah ini berarti interaksi gravitasi di antara keduanya akan hilang? Jika demikian, apakah ada kemungkinan Bumi akan kehilangan sebagian kemampuan gravitasinya?

Ya, itulah yang akan terjadi. Sebagian dari kemampuan gravitasi bumi akan meninggalkannya bersama dengan tubuh fisiknya. Bumi akan mengecil karena besarnya massa benda tersebut. Dan jika massa bumi menjadi lebih kecil, maka cukup jelas bahwa gaya gravitasinya akan berubah secara proporsional ke tingkat yang lebih kecil, dan interaksi gravitasinya dengan benda fisik tersebut akan hilang.

Namun jika di permukaan bumi sebuah meteorit akan jatuh, maka medan gravitasinya akan “diserap” oleh medan gravitasi Bumi, dan dia sendiri, setelah kehilangan kemerdekaannya, akan menjadi bagian dari Bumi, secara proporsional meningkatkan kemampuan gravitasinya.

Oleh karena itu, benda fisik yang lebih besar, termasuk planet dan bintang, memiliki gravitasi yang lebih kuat dan menarik benda yang lebih kecil, lalu menyerapnya. Dengan menarik benda fisik yang lebih kecil ke dirinya sendiri, mereka meningkatkan massanya dan, karenanya, meningkatkan medan gravitasinya. Interaksi gravitasi akan timbul antar benda.

Jadi, di sekitar benda fisik mana pun di planet kita terdapat medan gravitasinya sendiri, tetapi hanya secara kondisional. Medan gravitasi ini memasuki medan gravitasi tunggal Bumi dan ikut berputar. Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa setiap benda fisik, termasuk semua benda fisik yang diciptakan di Bumi atau diterbangkan dari luar angkasa, sudah atau sedang menjadi milik planet kita. Tubuh fisik apa pun di Bumi berasal darinya dan masuk ke dalamnya dan akan kembali. Medan gravitasi mereka adalah bagian dari medan gravitasi tunggal Bumi yang berputar mengelilingi planet. Oleh karena itu, benda-benda jatuh ke bumi daripada menempel satu sama lain. Mereka jatuh daripada bergerak sejajar dengan tanah. Selain itu, kemampuan gravitasi bumi jauh lebih kuat daripada kemampuan gravitasi benda fisik mana pun di planet ini, berapa pun ukuran, volume, atau kepadatannya. Oleh karena itu, tubuh fisik mana pun tertarik ke Bumi, dan bukan ke Everest.

Semua benda fisik mempunyai medan gravitasi, tetapi medan gravitasi hanya dapat dianggap berhubungan dengan medan gravitasi bumi secara umum. Dimungkinkan untuk memisahkannya dari medan gravitasi bumi hanya pada jarak di luar batas medan gravitasi planet. Pada jarak ini, medan gravitasi suatu benda fisik, misalnya roket, akan sepenuhnya independen dan akan berputar mengelilingi benda fisik, berapa pun ukurannya.

Perlu diperhatikan bahwa kecepatan putaran medium halus di dekat permukaan benda fisik sama dengan kecepatan putaran benda fisik itu sendiri. Sehubungan dengan tubuh fisik lingkungan tidak bergerak. Di dekat benda fisik, gaya gravitasi jauh lebih tinggi daripada di jarak yang jauh. Mari kita mengingat kembali pengalaman kita dengan lingkaran karet (Gbr. 2). Saat Anda menjauh dari tubuh fisik, kecepatan rotasi medium eterik dan gravitasi menurun.

Pada saat yang sama, kami memahami bahwa konsentrasi eter di bawah pengaruh pusaran eterik dan gaya gravitasi menyebabkan munculnya wilayah eterik yang dijernihkan di sekitar tubuh fisik. Wilayah halus yang dijernihkan ini semakin besar jumlah besar eter terkonsentrasi dalam tubuh fisik dalam bentuk sekumpulan partikel halus mendasar - gumpalan pusaran halus, yang darinya masing-masing fraksi energi, foton, neutrino, antineutrino, positron, elektron, proton, neutron, atom, molekul, dan benda fisik lainnya tersusun. Wilayah halus yang dijernihkan, misalnya, di planet Bumi, memiliki volume yang jauh lebih besar daripada wilayah Bulan yang dijernihkan, karena Bumi secara signifikan lebih besar volumenya daripada wilayah yang dijernihkan di Bulan. lebih besar dari bulan. Dan setiap area yang dijernihkan berhubungan dengan jumlah eter yang terkonsentrasi di tubuh fisik.

Wilayah medium halus yang dijernihkan sangatlah luas. Mereka menentukan dimensinya bidang gravitasi tubuh fisik, yaitu area di mana gaya gravitasi bekerja. Tindakan kekuatan-kekuatan ini dimulai dari batas luar wilayah tubuh fisik yang dijernihkan. Karena batas-batas wilayah yang dijernihkan terletak cukup jauh dari pusat benda fisik, maka gaya-gaya ini dapat dicirikan sebagai gaya jarak jauh atau interaksi jangka panjang.

Ketika daerah-daerah yang dijernihkan dari dua atau lebih benda fisik bersentuhan, masing-masing dari mereka, sesuai dengan hukum keseimbangan yang berlawanan, berusaha untuk menyeimbangkan lingkungan eteriknya yang dijernihkan, yang mengarah pada ketertarikan dan penyatuan tubuh-tubuh tersebut..

Jadi, yang menarik bukanlah massa benda fisik, tetapi medan gravitasi benda fisik tersebut berinteraksi satu sama lain, menggerakkan benda fisik ke arah satu sama lain..

Pada saat yang sama, daripada lebih dekat ke tubuh berdekatan satu sama lain, semakin jelas dan intens ketertarikan ini. Oleh karena itu, ketika, misalnya, ada benda yang jatuh ke tanah, percepatan konstan musim gugur ini. Percepatan ini disebut percepatan gravitasi dan besarnya kira-kira 9,806 m/s 2 .

Inti dari percepatan ini adalah semakin dekat medium yang dijernihkan ke benda, semakin kecil kepadatannya dan, oleh karena itu, semakin banyak keinginan yang lebih kuat tubuh fisik untuk menyeimbangkan lingkungan eteriknya yang dijernihkan kekuatan yang lebih kuat interaksi gravitasi. Kami sudah membicarakan hal ini sebelumnya. Saat seseorang mendekati batas medium yang dijernihkan dengan ruang halus elastis, tegangan ini berkurang dan, akhirnya, pada batas tersebut mulai sepenuhnya bersesuaian dengan kepadatan ruang halus. Dalam hal ini, interaksi gravitasi tubuh fisik kehilangan kekuatannya sepenuhnya, dan medan gravitasi tubuh fisik tersebut menghilang.

Ini menjelaskan fakta bahwa roket menghabiskan waktu sejak awal peluncurannya jumlah yang banyak energi untuk mengatasi gaya gravitasi bumi, namun saat ia terbang dan menjauh dari planet, ia memasuki orbit dan praktis tidak menyia-nyiakan energinya.

Di sini perlu dipahami bahwa kepadatan atmosfer bumi dan kepadatan medan gravitasinya adalah konsep yang berbeda. Kepadatan atmosfer bumi lebih dari nilai-nilai tinggi dekat permukaannya daripada di ketinggian. Misalnya, di permukaan bumi massa jenis atmosfer kira-kira 1,225 kg/m3, pada ketinggian 2 kilometer - 1,007 kg/m3, dan pada ketinggian 3 km - 0,909 kg/m3 yaitu. Dengan bertambahnya ketinggian, kepadatan atmosfer berkurang.

Namun kami berargumentasi bahwa medan gravitasi suatu benda fisik lebih tipis tepatnya di permukaannya, dan penghalusan ini berkurang seiring bertambahnya jarak dari benda fisik tersebut. Kontradiksi? Sama sekali tidak. Ini adalah konfirmasi atas alasan kami! Faktanya adalah bahwa medan gravitasi halus yang dijernihkan akan berusaha menarik segala sesuatu yang mungkin untuk mengurangi ketegangannya ke dalam ruangnya. Oleh karena itu, medan gravitasi bumi dipenuhi dengan molekul nitrogen, oksigen, hidrogen, dll. Selain itu, di dekat permukaan bumi di atmosfer tidak hanya terdapat molekul gas, tetapi juga partikel debu, air, kristal es, garam laut dan seterusnya. Semakin tinggi Anda dari permukaan bumi, semakin tipis medan gravitasinya, semakin sedikit molekul dan partikel yang dapat ditahan di atmosfer bumi, dan karenanya, semakin rendah kepadatan atmosfer planet tersebut. Semuanya cocok. Semuanya benar.

Untuk membuktikan pernyataan ini, kami mengutip pemikiran Aristoteles dan eksperimen G. Galileo dan I. Newton. Aristoteles yang agung berpendapat bahwa benda yang lebih berat jatuh ke tanah lebih cepat daripada benda yang ringan dan memberikan contoh batu dan bulu burung yang jatuh dari ketinggian yang sama. Berbeda dengan Aristoteles, G. Galileo mengemukakan bahwa penyebab perbedaan kecepatan benda jatuh adalah hambatan udara. Diduga, ia secara bersamaan menjatuhkan peluru senapan dan inti artileri dari Menara Miring Pisa, yang juga mencapai tanah hampir bersamaan, meski terdapat perbedaan berat yang signifikan.

Untuk menguatkan kesimpulan G. Galileo, I. Newton memompa udara keluar dari tabung kaca panjang dan sekaligus melemparkan bulu burung dan koin emas di atasnya. Baik bulu maupun koinnya jatuh ke dasar tabung hampir bersamaan. Selanjutnya, secara eksperimental ditetapkan bahwa baik di udara maupun di ruang hampa terdapat percepatan jatuh bebas benda ke tanah.

Namun, para ilmuwan, setelah mencatat adanya percepatan jatuh bebas benda ke tanah, membatasi diri mereka hanya untuk menurunkan ketergantungan matematis yang diketahui yang memungkinkan pengukuran besaran percepatan ini secara akurat. Namun esensi fisik dari percepatan ini masih dirahasiakan.

Saya percaya bahwa esensi fisik dari fenomena ini terletak pada adanya lingkungan halus yang dijernihkan di sekitar Bumi. Semakin dekat benda yang jatuh di atasnya dari permukaan bumi, semakin tipis lingkungan halus planet tersebut dan semakin cepat benda tersebut jatuh ke permukaannya. Hal ini dapat dianggap sebagai konfirmasi yang jelas atas pemikiran kita tentang sifat medan gravitasi dan mekanisme interaksinya di Alam Semesta.

Tentu saja, pernyataan kami tentang interaksi medan gravitasi benda fisik, dan bukan tentang pengaruh timbal balik massanya, bertentangan dengan pandangan I. Newton yang sangat dihormati dan komunitas ilmiah modern. Namun, sebagai penghormatan kepada sang jenius yang hebat, kami dengan jelas mengakui fakta bahwa rumus yang diperolehnya cukup indikatif dan memungkinkan kami menghitung gaya interaksi gravitasi antara dua benda fisik. Perlu juga diakui bahwa rumus Newton menggambarkan akibat suatu fenomena, tetapi tidak menyentuh esensi fisiknya sama sekali.

Dengan demikian, kami telah menentukan bahwa keinginan terus-menerus dari wilayah eterik yang dijernihkan dari tubuh fisik mana pun untuk berpindah ke keadaan setimbang dengan lingkungan eterik di sekitarnya, mengurangi keadaan tegangnya, karena daya tarik wilayah eterik yang dijernihkan dari tubuh fisik lainnya ke dalam wilayah penghalusan eteriknya merupakan suatu hal yang umum arti fisika gravitasi atau interaksi gravitasi.

Setiap tubuh fisik memiliki tubuhnya sendiri medan gravitasi, tapi itu tidak independen. Berada di Bumi, medan gravitasi ini digabungkan menjadi satu medan gravitasi planet. Medan gravitasi suatu benda fisik hanya dapat dianggap sebagai bagian dari medan gravitasi planet.

1. Perkenalan

Semua benda berat saling mengalami gravitasi; gaya ini menentukan pergerakan planet mengelilingi Matahari dan satelit mengelilingi planet. Teori gravitasi - teori yang diciptakan oleh Newton, berdiri di awal ilmu pengetahuan modern. Teori gravitasi lainnya, yang dikembangkan oleh Einstein, merupakan pencapaian terbesar teori fisika abad ke-20. Selama berabad-abad perkembangan manusia, manusia telah mengamati fenomena saling tarik-menarik benda dan mengukur besarnya; mereka mencoba memanfaatkan fenomena ini, melampaui pengaruhnya, dan akhirnya, mencapai titik maksimalnya Akhir-akhir ini menghitungnya dengan sangat akurat selama langkah pertama jauh ke dalam Alam Semesta.

Kompleksitas yang sangat besar dari benda-benda di sekitar kita terutama disebabkan oleh struktur multi-tahap, yang unsur-unsur akhirnya - partikel elementer - memiliki relatif sedikit jumlah yang besar jenis interaksi. Namun jenis interaksi ini sangat berbeda kekuatannya. Partikel-partikel yang membentuk inti atom terikat satu sama lain oleh gaya paling kuat yang kita kenal; Untuk memisahkan partikel-partikel ini satu sama lain, diperlukan energi yang sangat besar. Elektron dalam sebuah atom terikat pada inti atom melalui gaya elektromagnetik; cukup memberi mereka energi yang sangat sederhana (biasanya energi yang cukup reaksi kimia) karena elektron sudah terpisah dari inti. Jika kita berbicara tentang partikel dan atom elementer, maka interaksi terlemahnya adalah interaksi gravitasi.

Jika dibandingkan dengan interaksi partikel elementer, gaya gravitasi sangatlah lemah sehingga sulit dibayangkan. Namun demikian, mereka dan hanya mereka yang sepenuhnya mengatur pergerakan benda langit. Hal ini terjadi karena gravitasi menggabungkan dua fitur, sehingga efeknya meningkat ketika kita berpindah ke benda besar. Berbeda dengan interaksi atom, gaya tarik gravitasi terlihat bahkan pada jarak yang sangat jauh dari benda yang menciptakannya. Selain itu, gaya gravitasi selalu merupakan gaya tarik menarik, yaitu benda selalu tarik menarik satu sama lain.

Perkembangan teori gravitasi terjadi pada awal perkembangan ilmu pengetahuan modern dengan menggunakan contoh interaksi benda langit. Tugas ini menjadi lebih mudah karena benda langit bergerak dalam ruang hampa udara tanpa pengaruh samping dari gaya lain. Astronom brilian - Galileo dan Kepler - dengan karya mereka membuka jalan bagi penemuan lebih lanjut di bidang ini. Lebih jauh Newton yang agung berhasil menghasilkan teori yang lengkap dan memberikannya bentuk matematika.

2. Newton dan para pendahulunya

Di antara semua gaya yang ada di alam, gaya gravitasi dibedakan terutama oleh fakta bahwa ia memanifestasikan dirinya di mana-mana. Semua benda memiliki massa, yang didefinisikan sebagai rasio gaya yang diterapkan pada benda dengan percepatan yang diperoleh benda di bawah pengaruh gaya ini. Gaya tarik menarik yang bekerja antara dua benda bergantung pada massa kedua benda; itu sebanding dengan produk massa benda yang ditinjau. Selain itu, gaya gravitasi dicirikan oleh fakta bahwa ia mematuhi hukum proporsionalitas terbalik dengan kuadrat jarak. Kekuatan lain mungkin bergantung pada jarak dengan cara yang berbeda; Banyak kekuatan seperti itu yang diketahui.

Salah satu aspek gravitasi universal—peran ganda massa yang mengejutkan—menjadi landasan bagi konstruksi teori relativitas umum. Menurut hukum kedua Newton, massa adalah karakteristik suatu benda, yang menunjukkan bagaimana suatu benda akan berperilaku ketika suatu gaya diterapkan padanya, terlepas dari apakah itu gravitasi atau gaya lainnya. Karena semua benda, menurut Newton, mengalami percepatan (mengubah kecepatannya) sebagai respons terhadap gaya eksternal, massa suatu benda menentukan percepatan yang dialami benda ketika gaya tertentu diterapkan padanya. Jika gaya yang sama diterapkan pada sepeda dan mobil, masing-masing akan mencapai kecepatan tertentu dalam waktu yang berbeda.

Namun dalam kaitannya dengan gravitasi, massa juga memainkan peran lain, yang sama sekali berbeda dari peran yang dimainkannya sebagai rasio gaya terhadap percepatan: massa adalah sumber gaya tarik-menarik antar benda; Jika kita mengambil dua benda dan melihat gaya yang bekerja pada benda ketiga yang terletak pada jarak yang sama, pertama dari satu benda dan kemudian dari benda lainnya, kita akan menemukan bahwa perbandingan gaya-gaya ini sama dengan perbandingan gaya-gaya tersebut. dua massa pertama. Ternyata gaya tersebut sebanding dengan massa sumbernya. Begitu pula menurut hukum ketiga Newton, gaya tarik menarik dialami dua orang tubuh yang berbeda dan di bawah pengaruh sumber daya tarik yang sama (pada jarak yang sama darinya), sebanding dengan rasio massa benda-benda tersebut. Dalam bidang teknik dan kehidupan sehari-hari, gaya tarik suatu benda ke tanah disebut sebagai berat benda.

Jadi, massa masuk ke dalam hubungan yang terjalin antara gaya dan percepatan; sebaliknya, massa menentukan besarnya gaya tarik menarik. Peran ganda massa ini mengarah pada fakta bahwa percepatan benda-benda berbeda dalam medan gravitasi yang sama ternyata sama. Mari kita ambil dua benda berbeda yang masing-masing bermassa m dan M. Biarkan keduanya jatuh bebas ke Bumi. Perbandingan gaya tarik menarik yang dialami benda-benda tersebut sama dengan perbandingan massa benda-benda tersebut m/M. Namun, akselerasi yang mereka peroleh sama. Jadi, percepatan yang diperoleh benda dalam medan gravitasi ternyata sama untuk semua benda dalam medan gravitasi yang sama dan tidak bergantung sama sekali pada sifat spesifik benda jatuh. Percepatan ini hanya bergantung pada massa benda yang menciptakan medan gravitasi, dan pada lokasi benda tersebut di ruang angkasa. Peran ganda massa dan persamaan percepatan semua benda dalam medan gravitasi yang sama dikenal sebagai prinsip kesetaraan. Nama ini punya asal sejarah, menekankan fakta bahwa efek gravitasi dan inersia sampai batas tertentu setara.

Di permukaan bumi, percepatan gravitasi bumi secara kasar adalah 10 m/detik2. Kecepatan benda yang jatuh bebas, jika hambatan udara selama jatuh tidak diperhitungkan, bertambah 10 m/detik. Setiap detik. Misalnya, jika sebuah benda mulai jatuh bebas dari keadaan diam, maka pada akhir detik ketiga kecepatannya menjadi 30 m/s. Biasanya percepatan gravitasi dilambangkan dengan huruf g. Karena bentuk bumi tidak persis sama dengan bola, nilai g di bumi tidak sama di semua tempat; jumlah tersebut lebih besar di kutub dibandingkan di khatulistiwa, dan lebih sedikit di puncak gunung besar dibandingkan di lembah. Jika nilai g ditentukan dengan ketelitian yang cukup, maka nilai tersebut terpengaruh genap struktur geologi. Hal ini menjelaskan fakta bahwa metode geologi untuk mencari minyak dan mineral lainnya juga mencakup penentuan nilai g secara akurat.

Apa yang ada didalam tempat ini semua benda mengalami percepatan yang sama - ciri khas gravitasi; Tidak ada kekuatan lain yang memiliki sifat seperti itu. Dan meskipun Newton tidak punya pilihan selain menjelaskan fakta ini, dia memahami universalitas dan kesatuan percepatan gravitasi. Fisikawan dan ahli teori Jerman Albert Einstein (1870 - 1955) mendapat kehormatan menemukan prinsip yang menjadi dasar penjelasan sifat gravitasi ini, prinsip kesetaraan. Einstein juga termasuk dalam landasan pemahaman modern tentang sifat ruang dan waktu.

3. Teori relativitas khusus

Sejak zaman Newton, diyakini bahwa semua sistem referensi adalah sekumpulan batang kaku atau benda lain yang memungkinkan untuk menentukan posisi benda di ruang angkasa. Tentu saja, dalam setiap sistem referensi, badan-badan tersebut dipilih secara berbeda. Pada saat yang sama, diasumsikan bahwa semua pengamat memiliki waktu yang sama. Asumsi ini tampak begitu jelas secara intuitif sehingga tidak dinyatakan secara spesifik. Dalam praktik sehari-hari di Bumi, asumsi ini dikonfirmasi oleh seluruh pengalaman kita.

Namun Einstein mampu menunjukkan perbandingan pembacaan jam tersebut, jika kita memperhitungkannya gerakan relatif, tidak diperlukan perhatian khusus hanya dalam kasus ketika kecepatan relatif jam jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Jadi, hasil pertama analisis Einstein adalah penetapan relativitas simultanitas: dua peristiwa yang terjadi pada jarak yang cukup satu sama lain dapat muncul secara bersamaan bagi satu pengamat, tetapi bagi pengamat yang bergerak relatif terhadapnya, terjadi pada waktu yang berbeda. Oleh karena itu, asumsi waktu universal tidak dapat dibenarkan: tidak mungkin menentukan prosedur spesifik yang memungkinkan pengamat mana pun untuk menetapkan waktu universal tersebut, terlepas dari gerakan yang diikutinya. Sistem referensi juga harus memuat jam, bergerak mengikuti pengamat dan sinkron dengan jam pengamat.

Langkah selanjutnya yang dilakukan Einstein adalah menjalin hubungan baru antara hasil pengukuran jarak dan waktu dalam dua hal yang berbeda sistem inersia ah hitung mundur. Teori relativitas khusus, alih-alih “panjang absolut” dan “waktu absolut”, mengungkap “nilai absolut” yang berbeda, yang biasanya disebut interval ruang-waktu invarian. Untuk dua peristiwa tertentu yang terjadi pada jarak tertentu satu sama lain, jarak spasial di antara keduanya bukanlah nilai absolut (yaitu, tidak bergantung pada sistem referensi), bahkan dalam skema Newton, jika ada interval waktu tertentu antara terjadinya peristiwa tersebut. acara. Memang, jika dua peristiwa tidak terjadi secara bersamaan, seorang pengamat yang bergerak dengan kerangka acuan tertentu dalam satu arah dan menemukan dirinya pada titik terjadinya peristiwa pertama, dalam jangka waktu yang memisahkan kedua peristiwa tersebut, dapat berakhir di tempat tersebut. dimana peristiwa kedua terjadi; bagi pengamat ini kedua peristiwa tersebut akan terjadi di tempat yang sama di ruang angkasa, meskipun bagi pengamat yang bergerak di dalamnya arah berlawanan, mereka mungkin tampak terjadi pada jarak yang cukup jauh satu sama lain.

4. Relativitas dan gravitasi

Semakin dalam mereka pergi Penelitian ilmiah menjadi zat-zat penyusun akhir dan semakin kecil jumlah partikel dan gaya yang bekerja di antara mereka, semakin mendesak tuntutan untuk pemahaman komprehensif tentang tindakan dan struktur setiap komponen materi. Karena alasan inilah ketika Einstein dan fisikawan lainnya yakin bahwa teori relativitas khusus telah menggantikan fisika Newton, mereka mulai lagi. sifat mendasar partikel dan medan gaya. Paling objek penting, yang membutuhkan revisi adalah gravitasi.

Namun mengapa kesenjangan antara relativitas waktu dan hukum gravitasi Newton tidak diselesaikan sesederhana seperti dalam elektrodinamika? Penting untuk memperkenalkan konsep medan gravitasi, yang akan merambat dengan cara yang kira-kira sama dengan listrik dan Medan gaya, dan yang ternyata menjadi mediator dalam interaksi gravitasi benda, sesuai dengan konsep teori relativitas. Interaksi gravitasi ini akan direduksi menjadi hukum gravitasi Newton, ketika kecepatan relatif benda-benda tersebut akan lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan cahaya. Einstein mencoba membangun teori gravitasi relativistik atas dasar ini, tetapi satu keadaan tidak memungkinkan dia untuk melaksanakan niat ini: tidak ada yang tahu apa pun tentang penyebaran interaksi gravitasi dengan kecepatan tinggi, hanya ada beberapa informasi mengenai efek yang terkait dengan pergerakan kecepatan tinggi dari sumber medan gravitasi - massa.

Pengaruh kecepatan tinggi terhadap massa berbeda dengan pengaruh kecepatan tinggi terhadap muatan. Jika muatan listrik suatu benda tetap sama untuk semua pengamat, maka massa benda bergantung pada kecepatannya relatif terhadap pengamat. Semakin tinggi kecepatannya, semakin besar massa yang diamati. Untuk suatu benda, massa terkecil akan ditentukan oleh pengamat relatif terhadap benda yang diam. Nilai massa ini disebut massa istirahat benda. Untuk semua pengamat lainnya, massa akan lebih besar dari massa diam dengan jumlah yang sama dengan energi kinetik benda dibagi c. Nilai massa akan menjadi tak terhingga dalam kerangka acuan di mana kecepatan benda akan menjadi kecepatan yang sama cahaya. Kita hanya dapat berbicara secara kondisional tentang sistem referensi semacam itu. Karena besarnya sumber gravitasi sangat bergantung pada kerangka acuan yang menentukan nilainya, medan yang dihasilkan oleh massa harus lebih kompleks daripada medan elektromagnetik. Oleh karena itu Einstein menyimpulkan bahwa medan gravitasi tampaknya disebut medan tensor, yang dijelaskan oleh jumlah komponen yang lebih banyak daripada medan elektromagnetik.

Sebagai prinsip awal selanjutnya, Einstein mendalilkan bahwa hukum medan gravitasi harus diturunkan dari prosedur matematika yang mirip dengan prosedur yang mengarah pada hukum teori elektromagnetik; hukum medan gravitasi yang diperoleh dengan cara ini jelas harus serupa bentuknya dengan hukum elektromagnetisme. Namun bahkan dengan mempertimbangkan semua pertimbangan ini, Einstein menemukan bahwa dia dapat menyusun beberapa teori berbeda yang memenuhi semua persyaratan secara setara. Diperlukan sudut pandang yang berbeda untuk sampai pada teori gravitasi relativistik. Einstein menemukannya titik baru pandangan tentang prinsip kesetaraan, yang menyatakan bahwa percepatan yang diperoleh suatu benda dalam medan gaya gravitasi tidak bergantung pada karakteristik benda tersebut.

5. Relativitas jatuh bebas

DI DALAM teori khusus relativitas, seperti dalam fisika Newton, mendalilkan keberadaan sistem referensi inersia, yaitu. sistem relatif terhadap benda yang bergerak tanpa percepatan ketika tidak ditindaklanjuti kekuatan luar. Penemuan eksperimental sistem semacam itu bergantung pada apakah kita dapat menempatkan benda uji dalam kondisi di mana tidak ada gaya eksternal yang bekerja padanya, dan harus ada konfirmasi eksperimental tentang tidak adanya gaya tersebut. Tetapi jika keberadaan, misalnya, medan listrik (atau gaya lainnya) dapat dideteksi melalui perbedaan pengaruh medan-medan ini terhadap berbagai partikel uji, maka semua partikel uji yang ditempatkan dalam medan gravitasi yang sama memperoleh percepatan yang sama. .

Namun, bahkan dengan adanya medan gravitasi, terdapat kelas sistem referensi tertentu yang dapat diidentifikasi hanya dengan eksperimen lokal. Karena semua percepatan gravitasi pada suatu titik tertentu ( daerah kecil) semua benda identik baik besaran maupun arahnya, semuanya akan sama dengan nol dalam kaitannya dengan kerangka acuan, yang dipercepat bersama dengan benda fisik lain yang hanya berada di bawah pengaruh gravitasi. Kerangka acuan seperti ini disebut kerangka acuan jatuh bebas. Sistem seperti itu tidak dapat diperluas tanpa batas waktu ke seluruh ruang dan semua momen waktu. Ia hanya dapat ditentukan secara unik di sekitar titik dunia, di wilayah ruang terbatas, dan dalam jangka waktu terbatas. Dalam pengertian ini, kerangka acuan yang jatuh bebas dapat disebut kerangka acuan lokal. Sehubungan dengan kerangka acuan yang jatuh bebas, benda material yang tidak dikenai gaya apa pun selain gaya gravitasi tidak akan mengalami percepatan.

Kerangka acuan jatuh bebas tanpa adanya medan gravitasi identik dengan kerangka acuan inersia; dalam hal ini dapat diperpanjang tanpa batas waktu. Namun distribusi sistem yang tidak terbatas menjadi tidak mungkin ketika medan gravitasi muncul. Fakta bahwa sistem yang jatuh bebas pada umumnya ada, meskipun hanya sebagai kerangka acuan lokal, merupakan konsekuensi langsung dari prinsip kesetaraan, yang menjadi subjek semua efek gravitasi. Namun prinsip yang sama bertanggung jawab atas fakta bahwa tidak mungkin membangun kerangka acuan inersia dengan adanya medan gravitasi dengan prosedur lokal apa pun.

Einstein menganggap prinsip kesetaraan sebagai sifat gravitasi yang paling mendasar. Dia menyadari bahwa gagasan kerangka acuan inersia yang dapat diperpanjang tanpa batas harus ditinggalkan demi kerangka acuan lokal yang jatuh bebas; dan hanya dengan melakukan hal ini prinsip kesetaraan dapat diterima sebagai bagian mendasar dari landasan fisika. Pendekatan ini memungkinkan fisikawan untuk melihat lebih dalam sifat gravitasi. Kehadiran medan gravitasi ternyata setara dengan ketidakmungkinan perambatan kerangka acuan lokal yang jatuh bebas dalam ruang dan waktu; Oleh karena itu, ketika mempelajari medan gravitasi, perhatian harus difokuskan bukan pada besaran medan lokal, melainkan pada ketidakhomogenan medan gravitasi. Nilai dari pendekatan ini, yang pada akhirnya menyangkal universalitas keberadaan kerangka acuan inersia, adalah bahwa pendekatan ini memperjelas bahwa tidak ada alasan untuk menerima tanpa refleksi kemungkinan membangun kerangka acuan inersia, meskipun faktanya kerangka tersebut telah digunakan. selama beberapa abad.

6. Gravitasi dalam ruang dan waktu

Dalam teori gravitasi Newton, percepatan gravitasi yang disebabkan oleh suatu massa besar sebanding dengan massa tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari massa tersebut. Hukum yang sama dapat dirumuskan sedikit berbeda, tetapi pada saat yang sama kita akan dapat mencapai hukum gravitasi relativistik. Rumusan berbeda ini didasarkan pada gagasan tentang medan gravitasi sebagai sesuatu yang tercetak di sekitar massa gravitasi yang besar. Medan dapat dideskripsikan secara lengkap dengan menentukan pada setiap titik dalam ruang sebuah vektor yang besar dan arahnya sesuai dengan vektor tersebut percepatan gravitasi. Yang diperoleh oleh lembaga penguji mana pun yang ditempatkan pada titik ini. Medan gravitasi dapat digambarkan secara grafis dengan menggambar kurva di dalamnya, yang garis singgungnya pada setiap titik dalam ruang bertepatan dengan arah medan gravitasi lokal (percepatan); kurva ini digambar dengan kepadatan ( nomor tertentu kurva per satuan luas persilangan, beras. 2) , sama dengan nilainya bidang lokal. Jika kita memperhitungkan satu massa besar, kurva seperti itu - disebut garis gaya - berubah menjadi garis lurus; garis lurus ini menunjuk langsung ke benda yang menciptakan medan gravitasi.

Kembali ketergantungan proporsional dari kuadrat jarak dinyatakan secara grafis sebagai berikut: semua garis gaya dimulai dari tak terhingga dan berakhir pada massa yang besar. Jika rapat garis-garis medan sama dengan besar percepatan, maka banyaknya garis yang melaluinya permukaan bola, yang pusatnya terletak pada suatu massa besar, sama persis dengan kerapatan garis-garis medan dikalikan luas permukaan bola berjari-jari r; Luas permukaan bola sebanding dengan kuadrat jari-jarinya. DI DALAM kasus umum Hukum Newton tentang ketergantungan terbalik pada kuadrat jarak dapat diberikan dalam bentuk yang sama-sama cocok untuk sumber gravitasi dalam bentuk satu massa besar dan untuk distribusi acak massa: semua garis gaya medan gravitasi dimulai dari tak terhingga dan berakhir di massa itu sendiri. Jumlah total garis-garis gaya yang berakhir di suatu daerah yang mengandung massa sebanding dengan massa total yang terkandung di daerah tersebut. Selain itu, medan gravitasi adalah medan konservatif: garis gaya tidak dapat berbentuk kurva tertutup, dan menggerakkan benda uji sepanjang kurva tertutup tidak dapat menghasilkan perolehan atau hilangnya energi.

Dalam teori gravitasi relativistik, peran sumber diberikan pada kombinasi massa dan momentum (momentum bertindak sebagai penghubung antara keadaan benda yang sama dalam sistem referensi empat dimensi atau Lorentzian yang berbeda). Ketidakhomogenan medan gravitasi relativistik dijelaskan oleh tensor kelengkungan. Tensor adalah objek matematika yang diperoleh dengan menggeneralisasi gagasan vektor. Dalam manifold yang dijelaskan oleh koordinat, tensor dapat diasosiasikan dengan komponen yang mendefinisikan tensor secara lengkap. Teori relativistik menghubungkan tensor kelengkungan dengan tensor yang menggambarkan perilaku sumber gravitasi. Tensor ini proporsional satu sama lain. Koefisien proporsionalitas ditentukan dari persyaratan: hukum gravitasi dalam bentuk tensor harus direduksi menjadi hukum gravitasi Newton untuk medan gravitasi lemah dan pada kecepatan benda yang rendah; koefisien proporsionalitas ini, hingga konstanta dunia, sama dengan konstanta gravitasi Newton. Dengan langkah ini, Einstein menyelesaikan konstruksi teori gravitasi, atau disebut teori relativitas umum.

7. Kesimpulan

Teori relativitas umum memungkinkan kita melihat masalah yang berkaitan dengan interaksi gravitasi dengan cara yang sedikit berbeda. Ini mencakup semua mekanika Newton hanya sebagai kasus spesial pada kecepatan tubuh yang rendah. Hal ini membuka peluang yang sangat luas untuk menjelajahi Alam Semesta, di mana gaya gravitasi memainkan peran yang menentukan.

LITERATUR:

P. BERGMAN “MISTERI GRAVITASI” LOGUNOV “TEORI GRAVITASI RELATIVISTIK”

VLADIMIROV “RUANG, WAKTU, GRAVITASI”

INTERAKSI GRAVITASI partikel elementer, interaksi fundamental terlemah yang diketahui, ditandai dengan partisipasi medan gravitasi (medan gravitasi). Oleh ide-ide modern, setiap interaksi partikel dilakukan melalui pertukaran partikel maya (atau nyata) di antara mereka - pembawa interaksi. Dalam elektromagnetik, lemah dan interaksi yang kuat pembawa adalah foton, perantara boson vektor dan gluon, masing-masing. Untuk interaksi gravitasi, pertanyaan tentang pembawa tidaklah sederhana, dan teori interaksi gravitasi itu sendiri mengambil alih tempat spesial dalam gambaran fisik dunia.

Menurut hukum gravitasi universal Newton, gaya interaksi antara dua titik massa (yang ukurannya kecil dibandingkan dengan jarak r antara keduanya)

Fg =Gm 1 m 2 /r 2 , (1)

dimana m 2 adalah massa partikel, G = 6,67·10 -11 m 3 /kg?s 2 adalah konstanta gravitasi. Gaya interaksi gravitasi antara dua proton adalah 10 36 kali lebih kecil gaya Coulomb interaksi elektrostatis di antara keduanya. Rasio ini tidak berubah ketika diperhitungkan efek relativistik hingga jarak yang sama dengan panjang gelombang Compton proton. Besaran √Gm dapat disebut “muatan gravitasi”. Dengan definisi “muatan” ini, rumus (1) sesuai dengan hukum Coulomb untuk interaksi muatan listrik. Muatan gravitasi sebanding dengan massa benda, oleh karena itu menurut hukum kedua Newton (F = ma), percepatan a yang disebabkan oleh gaya (1) tidak bergantung pada massa benda yang dipercepat. Fakta ini, yang diverifikasi dengan sangat akurat, disebut prinsip kesetaraan. Dalam teori interaksi gravitasi relativistik, karena adanya hubungan antara massa dan energi (E = mс 2), muatan gravitasi sebanding dengan energi, yaitu massa total m, dan bukan massa diam, seperti pada rumus ( 1). Hal ini menentukan universalitas interaksi gravitasi. Tidak ada jenis materi yang mempunyai muatan gravitasi nol. Sifat interaksi gravitasi inilah yang membedakannya dari interaksi fundamental partikel elementer lainnya. Selain itu, pada energi partikel yang tinggi, interaksi gravitasi tidak dapat lagi dianggap lemah. Pada energi >10 18 GeV, muatan gravitasi partikel √GE/c 2 menjadi sama dengan muatannya muatan listrik e, dan sangat energi tinggi interaksi gravitasi mungkin menjadi yang utama.

Sifat terpenting medan gravitasi adalah ia menentukan geometri ruang-waktu tempat materi bergerak. Geometri dunia pada awalnya tidak dapat ditentukan dan berubah seiring pergerakan materi yang menciptakan medan gravitasi (lihat Gravitasi). A. Einstein membuat kesimpulan berikut dari sifat universalitas interaksi gravitasi dan membangun teori gravitasi relativistik - teori umum relativitas (GTR). Eksperimen mengkonfirmasi validitas relativitas umum dalam kasus medan gravitasi lemah (ketika potensi gravitasinya besar nilai mutlak apalagi dengan 2). Untuk medan kuat, relativitas umum belum diuji, sehingga teori interaksi gravitasi lainnya juga dimungkinkan.

Relativitas umum muncul sebagai generalisasi dari teori relativitas khusus. Teori gravitasi lainnya muncul sebagai cerminan keberhasilan fisika partikel - teoretis dan eksperimental. Misalnya, teori gravitasi Einstein-Cartan-Troutman (yang disebut gravitasi dengan torsi, Einstein, A. Cartan, A. Trautman, 1922-72) memperluas prinsip kesetaraan dalam arti bahwa medan gravitasi di dalamnya tidak berinteraksi hanya dengan energi (tensor energi -momentum) partikel, tetapi juga dengan putarannya.

Dalam apa yang disebut teori gravitasi f-g oleh K. J. Isham, A. Salam dan J. Strazdi (1973), diasumsikan adanya dua medan gravitasi: pembawa salah satunya adalah partikel tak bermassa dengan spin 2 (biasa, “lemah ” gravitasi relativitas umum), bidang ini berinteraksi dengan lepton; medan lainnya dibawa oleh partikel masif (f-meson) dengan spin 2 (gravitasi “kuat”) dan berinteraksi dengan hadron.

Teori gravitasi skalar-tensor Brans-Dicke-Jordan (K. Brans, R. Dicke, P. Jordan, 1959-61) merupakan pengembangan dari gagasan P. Dirac tentang perubahan konstanta fisika fundamental dan konstanta interaksi seiring waktu.

A.D. Sakharov mengemukakan (1967) gagasan gravitasi sebagai interaksi terinduksi, dengan analogi dengan gaya van der Waals, yang memiliki sifat elektromagnetik. Dalam teori ini, interaksi gravitasi bukanlah interaksi fundamental, melainkan hasil fluktuasi kuantum semua medan lainnya. Kesuksesan teori kuantum bidang (QFT) memungkinkan untuk menghitung konstanta gravitasi terinduksi G, yang dalam hal ini dinyatakan melalui parameter bidang kuantum ini.

Teori gravitasi - teori klasik, teori gravitasi kuantum belum tercipta. Perlunya kuantisasi disebabkan oleh fakta bahwa partikel elementer adalah objek sifat kuantum, dan oleh karena itu hubungan antara interaksi klasik dan sumber terkuantisasi dari interaksi ini tampaknya tidak konsisten.

Penciptaan teori gravitasi kuantum menghadapi tantangan besar kesulitan matematika, timbul karena ketidaklinieran persamaan nol. Ada beberapa metode untuk mengkuantisasi kompleks tersebut objek matematika; metode ini sedang dikembangkan dan ditingkatkan (lihat teori gravitasi kuantum). Seperti dalam elektrodinamika kuantum(QED), divergensi muncul selama perhitungan, namun, tidak seperti QED, teori gravitasi kuantum ternyata tidak dapat dinormalisasi ulang. Ada analogi di sini dengan teori interaksi yang lemah, yang jika diambil secara terpisah, tanpa kaitannya dengan interaksi lain, tidak dapat dinormalisasi ulang. Tetapi penyatuan interaksi lemah dan elektromagnetik (berdasarkan gagasan yang disebut pemutusan simetri spontan) memungkinkan untuk membangun teori interaksi elektrolemah terpadu yang dapat dinormalisasi ulang. Dalam kasus ini harapan besar ditugaskan ke supergravitasi - sebuah teori yang menggabungkan semua interaksi berdasarkan supersimetri dan di mana, selain graviton (partikel tak bermassa dengan spin 2, boson), terdapat pembawa interaksi gravitasi lainnya - fermion, yang disebut gravitino.

Ketertarikan untuk menciptakan teori gravitasi kuantum tidak semata-mata bersifat akademis. Hubungan interaksi gravitasi dengan semua jenis materi dan dengan keragaman ruang-waktu pasti akan mengarah pada teori kuantum masa depan pada kuantisasi ruang-waktu dan perubahan pandangan kita tidak hanya tentang ruang dan waktu pada jarak sangat pendek dan interval waktu, tetapi juga pada konsep “partikel”, pada prosedur pengukuran dalam mikrokosmos, serta pada perubahan struktur teori modern partikel elementer.

Beberapa garis besar perubahan ini sudah terlihat. Pertama-tama, masalah divergensi di QFT. Perbedaan, misalnya, energi diri suatu partikel bermuatan listrik sudah terlihat elektrodinamika klasik. Massa total M dari bola tipis bermuatan klasik yang mempunyai muatan e dan ukuran r 0 adalah sama dengan

M = M 0 + e 2 /2r 0 s 2, (2)

dimana M 0 adalah massa benih. Ketika r 0 → 0, massa M menjadi tak terhingga. Divergensi ini juga tidak dihilangkan dalam teori kuantum; hanya menjadi lebih lemah - logaritmik. Jika kita memperhitungkan interaksi gravitasi dan fakta yang bergantung padanya berat keseluruhan M, perbedaan energi diri sudah hilang dalam teori klasik.

Persoalan divergensi dapat didekati dari sudut pandang yang berbeda. Interaksi dalam QFT adalah pertukaran partikel virtual berenergi tinggi. Oleh karena itu, ketika mengintegrasikan energi-energi ini, ekspresi yang berbeda diperoleh. Dalam relativitas umum, partikel tidak bisa berbentuk titik. Ukuran minimumnya ditentukan oleh jari-jari gravitasi r g . Bagaimana lebih banyak massa(energi), semakin besar jari-jari gravitasi:

Jika benda bermassa M dikompresi hingga ukuran lebih kecil dari rg, maka benda tersebut berubah menjadi lubang hitam ukuran rg. Dalam teori kuantum, ada juga batasan untuk lokalisasi sebuah partikel - panjang gelombang Comptonnya l = ћ/М с, yang jelas tidak boleh kurang radius gravitasi. Oleh karena itu, ada harapan bahwa dalam teori yang memperhitungkan interaksi gravitasi, keadaan peralihan dengan energi tinggi yang sewenang-wenang tidak akan muncul dan, oleh karena itu, divergensi akan hilang. Berat maksimum(energi) partikel sesuai dengan persamaan l C = r g, dan sama dengan МР | =√ћc/G ≈ 10 -5 g. Nilai ini disebut massa Planck, dan sesuai dengan panjang Planck l Р| = √ћG/c 3 ≈ 10 -33 cm.

MA Markov mengemukakan (1965) bahwa partikel elementer bermassa M P| dan bahwa partikel-partikel ini mempunyai massa maksimum yang mungkin untuk sebuah partikel elementer. Dia menyebut partikel-partikel ini maximon. Markov menyebut maximon bermuatan dengan massa M = e/√G ≈ 10 -6 g friedmons. Freedmon dan maximon memiliki sejumlah properti yang tidak biasa. Jadi, geometri di dalam partikel-partikel ini dapat berbeda secara signifikan dari geometri di luarnya, dan kita dapat membayangkan frimon dan maximon seperti itu, yang di dalamnya terdapat seluruh alam semesta. Sangat mungkin bahwa formasi kuantum yang mirip dengan maximon dan friedmon dapat ditentukan tahap awal evolusi Alam Semesta dan menetapkan kekosongan awal dari suatu interaksi tunggal, yang, selama perluasan Alam Semesta, terbagi, misalnya, melalui mekanisme pemecahan simetri spontan, menjadi empat interaksi yang diketahui saat ini. Arah perkembangan fisika partikel elementer tidak mengecualikan, melainkan mengasumsikan kemungkinan seperti itu.

Tidak hanya gravitasi kuantum dapat memiliki dampak yang signifikan terhadap teori interaksi lainnya, dan tidak diragukan lagi memiliki efek sebaliknya. Studi QFT dalam ruang-waktu melengkung, studi tentang penguapan lubang hitam dan kelahiran partikel dalam kosmologi menunjukkan bahwa QFT mengarah pada modifikasi persamaan Einstein. Dalam teori terpadu modern tentang interaksi partikel elementer, kerapatan energi vakum bisa jadi bukan nol dan, oleh karena itu, memiliki medan gravitasinya sendiri. Dominasi kepadatan energi ini menyebabkan percepatan ekspansi alam semesta modern. Terakhir, dalam model gravitasi multidimensi, proses interaksi non-gravitasi terjadi pada bran 4 dimensi (subruang) dalam ruang-waktu multidimensi. Pada energi yang membawa partikel ke batas bran, pelanggaran invarian Lorentz dapat diamati, dan interaksi gravitasi tidak lagi lemah.

Semua ini menunjukkan bahwa penciptaan teori kuantum interaksi gravitasi tidak mungkin terjadi tanpa memperhitungkan hal lain interaksi mendasar dan sebaliknya, teori interaksi lainnya tidak akan lengkap dan bebas dari hal tersebut kontradiksi internal tanpa memperhitungkan interaksi gravitasi. Penyatuan interaksi gravitasi dengan interaksi lain dapat dicapai dalam kerangka teori string yang berkembang secara intensif. Studi tentang penyatuan tersebut difasilitasi oleh metode kosmomikrofisika yang mempelajarinya hubungan mendasar dunia mikro dan makro dalam kombinasi manifestasi fisik, kosmologis dan astrofisikanya.

Lit.: Markov M. A. Tentang sifat materi. M., 1976; Mizner Ch., Thorne K., Wheeler J. Gravitasi. M., 1977. Jilid 1-3; A. Einstein dan teori gravitasi. M., 1979; Grib A.A., Mamaev S.G., Mostepanenko V.M. Efek kuantum di bidang eksternal yang intens. M., 1980; Rubakov V. A. Besar dan tak ada habisnya dimensi tambahan// Kemajuan dalam ilmu fisika. 2001. T. 171. Edisi. 9; Landau L.D., Lifshits E.M. Teori medan. edisi ke-8. M., 2003; Khlopov M. Yu. Dasar-dasar kosmomikrofisika. M., 2004.

V.A.Berezin, M.Yu.Khlopov.

Sokol-Kutylovsky O.L.

Tentang kekuatan interaksi gravitasi

Jika Anda bertanya kepada mahasiswa atau profesor departemen fisika atau mekanika-matematika di universitas mana pun tentang gaya interaksi gravitasi, yang tampaknya merupakan interaksi gaya yang paling banyak dipelajari, yang dapat mereka lakukan hanyalah menuliskan rumus gaya Newton dan gaya Newton. gaya sentrifugal, yang Mereka akan mengingat gaya Coriolis yang tidak dapat dipahami dan adanya beberapa gaya giroskopik yang misterius. Semua ini terlepas dari kenyataan bahwa semua gaya gravitasi dapat diperoleh dari prinsip umum fisika klasik.

1. Apa yang diketahui tentang gaya gravitasi

1.1. Diketahui bahwa gaya yang timbul antar benda dalam interaksi gravitasi berbanding lurus dengan massa benda tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya (hukum gravitasi universal atau hukum Newton):

Di mana G" 6.6720H 10 -11 LF m 2H kg -2 - konstanta gravitasi, M, M- massa benda yang berinteraksi dan R - jarak terpendek antara pusat massa benda-benda yang berinteraksi. Dengan asumsi benda mempunyai massa M pada jarak R menciptakan medan percepatan gravitasi yang diarahkan ke pusat massanya,

gaya (1) yang bekerja pada benda bermassa M, juga disajikan dalam bentuk:

di mana w adalah kecepatan sudut rotasi benda pada sumbu yang tidak melalui pusat massa benda, ay – kecepatan gerak lurus benda dan R – vektor radial yang menghubungkan sumbu rotasi dengan partikel atau dengan pusat massa benda yang berputar. Suku pertama sesuai dengan gaya gravitasi (1), suku kedua dalam rumus (3) disebut gaya Coriolis, dan suku ketiga adalah gaya sentrifugal. Gaya Coriolis dan gaya sentrifugal dianggap fiktif, bergantung pada sistem referensi, yang sama sekali tidak sesuai dengan pengalaman dan dasar. kewajaran. Bagaimana suatu gaya bisa dianggap fiktif jika bisa bekerja pekerjaan nyata? Jelas sekali, ini bukan fiktif kekuatan fisik, dan pengetahuan serta gagasan yang tersedia saat ini tentang kekuatan-kekuatan ini.

Asal koefisien numerik"2" dalam gaya Coriolis diragukan, karena koefisien ini diperoleh untuk kasus ketika kecepatan sesaat dari titik-titik benda dalam kerangka acuan yang berputar bertepatan dengan kecepatan benda yang bergerak atau berlawanan dengannya, yaitu dengan arah radial gaya Coriolis. Kasus kedua, ketika kecepatan benda ortogonal kecepatan sesaat titik sistem referensi berputar, tidak dipertimbangkan. Menurut metode yang diuraikan dalam, besarnya gaya Coriolis pada kasus kedua adalah sama dengan nol, sedangkan untuk sudut tertentu dan kecepatan linier itu harus sama.

1.3. Kecepatan sudut adalah vektor aksial, yaitu dicirikan oleh nilai tertentu dan diarahkan sepanjang satu sumbu yang dipilih. Tanda arah kecepatan sudut ditentukan oleh aturan sekrup kanan. Kecepatan sudut rotasi didefinisikan sebagai perubahan sudut rotasi per satuan waktu, ω( T)=¶ φ/¶ T. Dalam definisi ini φ( T) – fungsi periodik waktu dengan periode 2π radian. Pada saat yang sama, kecepatan sudutnya adalah fungsi terbalik waktu. Hal ini khususnya mengikuti dari dimensinya. Oleh karena itu, turunan kecepatan sudut terhadap waktu: ¶ ω /¶t=-ω 2 . Turunan waktu dari kecepatan sudut sesuai dengan vektor aksial percepatan sudut. Menurut definisi konvensional yang diberikan dalam fisika kamus ensiklopedis, vektor aksial percepatan sudut diarahkan sepanjang sumbu rotasi, searah dengan kecepatan sudut jika rotasi dipercepat, dan melawan kecepatan sudut jika rotasi lambat.

2. Gaya gravitasi yang bekerja pada pusat massa benda

Gaya gravitasi dan gaya mekanik berbeda satu sama lain dalam sifat interaksinya: dengan interaksi "kontak" benda, gaya mekanis muncul, dan dengan interaksi gravitasi jarak jauh, gaya gravitasi muncul.

2.1. Mari kita tentukan semua gaya gravitasi yang bekerja pada pusat massa suatu benda material. Kami tidak akan mempertimbangkan rotasi suatu benda di sekitar porosnya yang melewati pusat massanya untuk saat ini. Dari prinsip umum mekanika diketahui bahwa gaya muncul ketika momentum sesaat suatu benda berubah. Mari kita lanjutkan dengan cara yang sama seperti ketika menentukan gaya-gaya yang terkait dengannya gerakan bujursangkar benda, dan ketika menentukan gaya yang terkait dengan rotasinya relatif terhadap sumbu luar:

atau dalam bentuk yang diperluas:

Di mana R =R·[ karena(ω T)· X + dosa(ω T)· kamu ], X Dan kamu – vektor satuan pada arah sumbu koordinat yang bersesuaian, R– modul vektor radial R , R 1 =R /R– vektor satuan searah dengan vektor radial R , T adalah waktu, dan sumbu koordinat z bertepatan dengan sumbu rotasi. Besaran turunan vektor satuan R 1 Oleh waktu, ¶ R 1 /¶ t=ω· R 1^ , dimana R 1^ – vektor satuan yang terletak pada bidang rotasi dan ortogonal terhadap vektor radial R (Gbr. 1).

Dengan mempertimbangkan kemungkinan perubahan vektor radial, sesuai dengan persamaan (7), rumus (6) berbentuk:

Beras. 1. Posisi relatif dari vektor radial R , kecepatan sudut ω dan kecepatan sesaat ay M massa tubuh M, dalam sistem koordinat ( X, kamu, z) dengan sumbu rotasi diarahkan sepanjang sumbu z. Vektor satuan R 1 =R /r ortogonal vektor satuan R 1^ .

2.2. Semua gaya yang termasuk dalam persamaan (8) adalah sama dan dijumlahkan menurut aturan penjumlahan vektor. Jumlah gaya (8) dapat direpresentasikan sebagai empat suku:

F G= F A+F ω1 + F ω2 + F ω3.

Memaksa F A terjadi selama gerak dipercepat bujursangkar suatu benda atau selama interaksi statis gravitasi suatu benda dengan benda lain. Memaksa F ω1 sesuai dengan gaya Coriolis untuk kasus kapan tubuh materi bergerak dalam sistem berputar dalam arah radial (sepanjang jari-jari putaran). Gaya ini diarahkan terhadap atau melawan kecepatan sesaat benda. Memaksa F ω2 adalah gaya yang bekerja pada titik mana pun pada benda yang berputar. Disebut gaya sentrifugal, tetapi gaya yang sama disebut gaya Coriolis jika suatu benda dalam sistem berputar bergerak ke arah kecepatan sesaat tanpa mengubah jari-jari rotasi. Memaksa F ω2 selalu diarahkan secara radial. Kesetaraan yang diberikan ¶ R 1 /¶ t=ω· R 1^ , dan arah vektor yang dihasilkan dalam produk vektor, kita memperoleh bahwa ketika setiap titik pada benda berputar dengan kecepatan sudut ω suatu kekuatan bekerja padanya F ω2 = M·ω 2 · R , yang bertepatan dengan gaya sentrifugal pada rumus (3).

Memaksa F ω3 adalah gaya inersia gerakan rotasi. Gaya inersia gerak rotasi timbul ketika kecepatan sudut sistem berputar dan benda-benda yang terkait dengannya berubah dan diarahkan sepanjang vektor kecepatan sesaat benda di dw/dt<0 и против вектора мгновенной скорости тела при dw/dt>0. Ini hanya terjadi selama proses sementara, dan dengan rotasi benda yang seragam, gaya ini tidak ada. Arah gaya gravitasi inersia gerak rotasi

(9)

ditunjukkan pada Gambar. 2. Di sini R – vektor radial yang menghubungkan sumbu rotasi dengan pusat massa benda yang berputar sepanjang lintasan terpendek, ω – vektor aksial kecepatan sudut.

Beras. 2. Arah gaya gravitasi inersia gerak rotasi, F ω3, saat memindahkan benda dari titik 1 ke titik 2 di dw / dt<0; R – vektor radial , menghubungkan sumbu rotasi ke pusat massa benda yang bergerak; F T – gaya tarik menarik atau gaya tegangan tali. Gaya sentrifugal tidak ditampilkan.

Jumlah gaya vektor F ω1 dan F ω2 menimbulkan gaya resultan (gaya Coriolis F K) ketika suatu benda bergerak ke arah yang berubah-ubah dalam sistem berputar:

3. Gaya gravitasi dan mekanik yang timbul ketika sumbu rotasi suatu benda diputar

Untuk menentukan semua gaya gravitasi yang bekerja tidak hanya pada pusat massa, tetapi juga pada titik lain dari suatu benda material, termasuk yang timbul ketika sumbu rotasi benda tersebut berputar mengelilingi sumbu lainnya, perlu kembali ke rumus (5 ).

Rumus umum untuk semua gaya gravitasi dan mekanik yang diperoleh sebelumnya tetap berlaku, tetapi sampai sekarang semua gaya yang diperoleh dianggap diterapkan pada pusat massa benda. Pengaruh rotasi sumbu rotasi sendiri pada masing-masing titik benda yang tidak bertepatan dengan pusat massa tidak diperhitungkan. Namun rumus (5), yang sebelumnya diperoleh dari prinsip umum mekanika, memuat semua gaya yang bekerja pada titik mana pun pada benda yang berputar, termasuk gaya yang timbul selama rotasi spasial sumbu rotasi benda itu sendiri. Oleh karena itu, dari rumus (5) kita dapat menurunkan dalam bentuk eksplisit persamaan gaya yang bekerja pada suatu titik sembarang dari benda material yang berputar ketika sumbu rotasinya diputar melalui sudut tertentu dalam ruang. Untuk melakukan ini, kami menyajikan persamaan (5) dalam bentuk berikut:

dimana benar – modul vektor benar , A ( benar ) 1 – vektor satuan yang diarahkan sepanjang vektor benar . Seperti yang telah ditunjukkan, turunan waktu dari vektor benar ketika nilai vektor ini berubah, ia menghasilkan gaya rotasi gravitasi dan mekanis, yang darinya diperoleh gaya sentrifugal, gaya Coriolis, dan gaya inersia rotasi:

dimana suku kelima adalah gaya, atau lebih tepatnya, himpunan gaya-gaya yang timbul selama perputaran spasial sumbu rotasi suatu benda di semua titik pada benda tersebut, dan gaya yang timbul pada setiap titik bergantung pada lokasi titik ini. Singkatnya, jumlah total semua gaya gravitasi dapat dengan mudah direpresentasikan sebagai:

,

(15)

Di mana F a – Gaya Newton dengan vektor percepatan gravitasi A , Fw 1 – Fw 3 – gaya gerak rotasi dengan vektor gravitasi kecepatan sudut w dan e Fw W i – sekumpulan gaya yang timbul ketika sumbu rotasi suatu benda diputar secara keseluruhan N titik di mana tubuh terbagi rata.

Mari kita sajikan suku kelima dalam bentuk yang diperluas. Menurut definisi, vektor radial R ortogonal terhadap vektor kecepatan sudut w, oleh karena itu besarnya vektor benar sama dengan hasil kali modulus vektor-vektor penyusunnya:

Turunan waktu dari vektor satuan ( benar ) 1 ketika diubah arahnya dengan sudut j menghasilkan vektor satuan lain, r 1, yang terletak sejajar dengan bidang rotasi S ( x, z) dan ortogonal terhadap vektor benar (Gbr. 3). Selain itu, sebagai faktor, ia mempunyai koefisien yang secara numerik sama dengan turunan waktu dari sudut rotasi, W =¶ j /¶ t:

.

(16)

Karena ketika sumbu rotasi diputar, pergerakan titik-titik suatu benda material bersifat tiga dimensi, dan rotasi sumbu terjadi pada bidang tertentu S ( x, z), maka modulus vektor satuan terhadap bidang rotasi tidak konstan, dan selama rotasi bervariasi dari nol hingga satu. Oleh karena itu, ketika membedakan vektor satuan tersebut, besarnya relatif terhadap bidang tempat terjadinya rotasi vektor satuan ini harus diperhitungkan. Panjang vektor satuan ( benar ) 1 relatif terhadap bidang rotasi S ( x, z) adalah proyeksi vektor satuan ini ke bidang rotasi. Turunan dari vektor satuan ( benar ) 1 pada bidang rotasi S ( x, z) dapat direpresentasikan sebagai berikut:

,

(17)

di mana a adalah sudut antara vektor benar dan bidang rotasi S ( x, z).

Gaya yang bekerja pada titik mana pun pada benda yang berputar ketika sumbu rotasinya diputar tidak diterapkan pada pusat massa benda tersebut, tetapi langsung pada setiap titik tertentu. Oleh karena itu, benda harus dibagi menjadi banyak titik, dan diasumsikan bahwa setiap titik tersebut mempunyai massa saya saya. Di bawah massa suatu titik tertentu pada benda, saya saya, berarti massa terkonsentrasi dalam volume kecil relatif terhadap seluruh benda V saya Jadi:

Dengan massa jenis benda yang seragam r, massanya adalah , dan titik penerapan gaya adalah pusat massa volume tertentu V saya ditempati oleh bagian benda material yang bermassa saya saya. Kekuatan yang bekerja Saya-titik benda yang berputar ketika memutar sumbu rotasinya berbentuk sebagai berikut:

Di mana saya saya– massa suatu titik tertentu pada benda, r i adalah jarak terpendek dari suatu titik tertentu (di mana gaya ditentukan) ke sumbu rotasi benda, w adalah kecepatan sudut rotasi benda, W adalah modul kecepatan sudut rotasi sumbu rotasi, a adalah sudut antara vektor benar dan bidang rotasi S ( x, z), dan r 1 adalah vektor satuan yang arahnya sejajar dengan bidang rotasi dan ortogonal terhadap vektor kecepatan sesaat benar .

Beras. 3. Arah kekuatan Fw W , yang terjadi ketika sumbu rotasi benda berputar pada bidang S (x, z) dengan kecepatan sudut rotasi W. Pada intinya A dengan vektor radius yang berasal dari titik tersebut Dengan sumbu rotasi, gaya Fw W =0; pada intinya B dengan vektor radius yang berasal dari pusat benda, gaya Fw W mempunyai nilai maksimum.

Jumlah semua gaya (18) yang bekerja pada segala sesuatu N titik di mana tubuh terbagi rata,

(19)

menciptakan momen gaya yang memutar benda pada bidang Y ( kamu, z), ortogonal terhadap bidang rotasi S ( x, z) (Gbr. 4).

Dari percobaan dengan benda yang berputar, keberadaan gaya (19) diketahui, namun belum didefinisikan dengan jelas. Secara khusus, dalam teori giroskop, gaya yang bekerja pada penyangga bantalan giroskop disebut gaya “giroskopik”, namun asal muasal gaya fisik ini tidak diungkapkan. Dalam giroskop, ketika sumbu rotasinya diputar, gaya (18) bekerja pada setiap titik pada tubuhnya, yang diperoleh di sini dari prinsip umum fisika klasik dan dinyatakan secara kuantitatif dalam bentuk persamaan tertentu.

Dari sifat simetri dapat disimpulkan bahwa setiap titik pada benda berhubungan dengan titik lain, terletak secara simetris terhadap sumbu rotasi, di mana gaya bekerja dengan besaran yang sama, tetapi memiliki arah yang berlawanan (18). Aksi gabungan dari pasangan gaya simetris tersebut ketika memutar sumbu benda yang berputar menciptakan momen gaya yang memutar benda tersebut pada bidang ketiga Y ( kamu, z), yang ortogonal terhadap bidang rotasi S ( x, z) dan pesawat L (x, kamu), di mana terjadi rotasi titik-titik benda:

Beras. 4. Timbulnya momen gaya akibat aksi pasangan gaya pada titik-titik benda yang letaknya simetris terhadap pusat massa. 1 dan 2 – dua titik simetris suatu benda yang berputar dengan kecepatan sudut w, di mana ketika sumbu rotasi benda tersebut berputar dengan kecepatan sudut W, timbul gaya-gaya yang besarnya sama Fw W 1 dan Fw W 2, masing-masing.

Dalam hal ini, untuk vektor satuan kecepatan sudut yang mencirikan arahnya, pada titik mana pun pada benda yang tidak berimpit dengan pusat simetri (pusat massa), identitas vektor terpenuhi:

dimana Q 1 adalah vektor aksial satuan kecepatan sudut yang timbul pada momen aksi gaya (18), w 1 adalah vektor aksial satuan kecepatan sudut rotasi benda dan W 1 adalah vektor aksial satuan dari kecepatan sudut sumbu rotasi (Gbr. 2). Karena sumbu rotasi yang berimpit dengan vektor kecepatan sudut rotasi W selalu ortogonal terhadap sumbu rotasi yang berimpit dengan vektor kecepatan sudut rotasi benda, w, maka vektor kecepatan sudut Q selalu ortogonal. ke vektor w dan W:.

Dengan memutar sistem koordinat dalam ruang, masalah mencari gaya (18) selalu dapat direduksi menjadi kasus serupa dengan yang dibahas pada Gambar. 3. Hanya arah vektor aksial kecepatan sudut w dan arah vektor aksial kecepatan putaran sumbu rotasi, W, yang dapat berubah, dan akibat perubahannya, dapat berubah ke arah sebaliknya. arah gaya Fw W .

Hubungan antara nilai absolut kecepatan sudut pada rotasi bebas suatu benda sepanjang tiga sumbu yang saling ortogonal dapat ditemukan dengan menerapkan hukum kekekalan energi gerak rotasi. Dalam kasus paling sederhana, untuk benda bermassa homogen M berbentuk bola dengan jari-jari R kita punya:

,

di mana kita mendapatkan:

.

4. Jumlah total gaya gravitasi dan mekanik primer yang bekerja pada benda

4.1. Dengan memperhatikan gaya-gaya (19) yang timbul ketika sumbu rotasi suatu benda berputar, persamaan lengkap jumlah semua gaya gravitasi yang bekerja pada setiap titik benda material yang ikut serta dalam gerak lurus dan rotasi, termasuk rotasi spasial dari rotasinya sendiri sumbu, mempunyai bentuk sebagai berikut :

(22)

Di mana A – vektor percepatan bujursangkar suatu benda bermassa M, R – vektor radial yang menghubungkan sumbu rotasi benda dengan titik penerapan gaya, R– modul vektor radial R ,R 1 – vektor satuan yang arahnya bertepatan dengan vektor jari-jari R , w – kecepatan sudut rotasi benda, S benar – nilai absolut dari vektor kecepatan sesaat benar , (benar ) 1 – vektor satuan yang arahnya bertepatan dengan vektor benar , R 1^ – vektor satuan yang terletak pada bidang rotasi dan ortogonal terhadap vektor R 1, W – modul kecepatan sudut rotasi sumbu rotasi, r 1 – vektor satuan yang diarahkan sejajar dengan bidang rotasi dan ortogonal terhadap vektor kecepatan sesaat benar , a – sudut antar vektor benar dan bidang rotasi, saya saya- berat Saya-titik tubuh yang terkonsentrasi pada volume tubuh yang kecil V saya, yang pusatnya merupakan titik penerapan gaya, dan N– jumlah titik di mana tubuh dibagi. Pada rumus (22) untuk gaya kedua, ketiga, dan keempat tandanya dapat dianggap positif, karena gaya-gaya tersebut dalam rumus umum berada di bawah tanda nilai mutlak. Tanda-tanda gaya ditentukan dengan mempertimbangkan arah masing-masing gaya tertentu. Dengan menggunakan gaya-gaya yang termasuk dalam rumus (22), kita dapat menggambarkan gerak mekanis suatu titik pada suatu benda material ketika bergerak sepanjang lintasan yang sewenang-wenang, termasuk rotasi spasial sumbu rotasinya.

4.2. Jadi, dalam interaksi gravitasi hanya ada lima gaya fisik berbeda yang bekerja pada pusat massa dan pada setiap titik suatu benda material selama gerak translasi dan rotasi benda tersebut, dan hanya satu dari gaya-gaya ini (gaya Newton) yang dapat bekerja. pada benda diam dari sisi benda lain. Pengetahuan tentang semua gaya interaksi gravitasi memungkinkan untuk memahami alasan kestabilan sistem mekanik dinamis (misalnya, sistem planet), dan dengan mempertimbangkan gaya elektromagnetik, untuk menjelaskan kestabilan atom.

Literatur:

1. Landau L.D., Akhiezer A.I., Lifshits E.M. Kursus fisika umum. Mekanika dan fisika molekuler. M.: Nauka, 1969.

2. Savelyev I.V. Kursus fisika umum. T.1. Mekanika. Fisika molekuler. edisi ke-3, putaran. M.: Nauka, 1987.

3. Sokol-Kutylovsky O.L. Gaya gravitasi dan elektromagnetik. Yekaterinburg, 2005

Sokol-Kutylovsky O.L., Tentang kekuatan interaksi gravitasi // “Academy of Trinitarianism”, M., El No. 77-6567, pub