重力と万有引力。重力: 式、定義万有引力の力の依存性

万有引力の法則を発見したのは誰ですか

万有引力の法則が英国の偉大な科学者アイザック・ニュートンによって発見されたことは周知の事実であり、伝説によれば、ニュートンは夜の庭を歩きながら物理学の問題について考えていたという。その瞬間、リンゴが木から落ちました（ある説によれば、物理学者の頭上に直接落ちました。別の説によると、単に落ちただけです）。それは後にニュートンの有名なリンゴとなり、科学者を洞察、つまりユリイカに導きました。ニュートンの頭の上に落ちたリンゴは、彼が万有引力の法則を発見するきっかけとなった。夜空の月は動かなかったが、リンゴが落ちたからだ。おそらく科学者は、月と月の両方に何か力が働いていると考えた（月を回転させている）軌道上）、リンゴの上でも同様で、リンゴを地面に落下させます。

さて、一部の科学史家によれば、リンゴに関するこの物語全体は単なる美しいフィクションにすぎません。実際、リンゴが落ちたかどうかはそれほど重要ではなく、重要なことは、科学者が実際に万有引力の法則を発見し、定式化したということであり、それは現在物理学と天文学の両方の基礎の 1 つとなっています。

もちろん、ニュートンのずっと前から、人々は物体が地面に落ちることと空の星々の両方を観察していましたが、ニュートン以前は、重力には 2 種類あると信じていました。それは地上の重力 (もっぱら地球内で作用し、物体を落下させる) と天の重力 (星や月に作用します）。ニュートンは、これら 2 種類の重力を頭の中で初めて組み合わせ、重力は 1 つだけ存在し、その作用は普遍的な物理法則で説明できることを初めて理解しました。

万有引力の法則の定義

この法則によれば、すべての物質体は互いに引き付け合い、その引力は物体の物理的または化学的特性に依存しません。すべてを可能な限り単純化すると、それは体の重量とそれらの間の距離のみに依存します。また、地球上のすべての物体は、重力と呼ばれる地球自体の重力の影響を受けるという事実も考慮する必要があります（ラテン語から「重力」という言葉は重さと翻訳されます）。

ここで、万有引力の法則をできるだけ簡潔に定式化して書き留めてみましょう。質量 m1 と m2 を持ち、距離 R だけ離れた 2 つの物体間の引力は、両方の質量に正比例し、次の 2 乗に反比例します。それらの間の距離。

万有引力の法則の公式

以下に万有引力の法則の公式を示します。

この式の G は重力定数で、6.67408(31) 10 −11 に等しく、これは地球の重力が物質に及ぼす影響の大きさです。

万有引力と物体の無重力の法則

ニュートンによって発見された万有引力の法則とそれに付随する数学的装置は、後に天力学と天文学の基礎を形成しました。なぜなら、その助けを借りて、天体の動きや現象の性質を説明することができるからです。無重力状態のこと。惑星のような大きな天体の引力や重力からかなり離れた宇宙空間にあると、どんな物質（たとえば、宇宙飛行士が乗った宇宙船）も、重力の影響で無重力状態になります。地球の重力の影響（重力の法則の式では G）や他の惑星の影響は受けなくなります。

オビ＝ワン・ケノービは、力が銀河を一つにまとめていると言いました。重力についても同じことが言えます。事実: 重力のおかげで、私たちは地球の上を歩き、地球は太陽の周りを公転し、太陽は銀河の中心にある超大質量ブラックホールの周りを移動することができます。重力をどうやって理解するのか？これについては記事で説明します。

すぐに言っておきますが、「重力とは何か」という質問に対する唯一の正しい答えはここには見つかりません。なぜならそれは単純に存在しないからです！重力は最も謎に満ちた現象の 1 つであり、科学者たちはこれについて困惑しており、その性質をまだ完全に説明できていません。

多くの仮説や意見があります。重力理論には、代替理論や古典理論など、十数もの理論があります。最も興味深く、関連性があり、現代的なものを見ていきます。

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重力は物理的な基本的な相互作用です

物理学には 4 つの基本的な相互作用があります。彼らのおかげで、世界はまさにそのとおりになっています。重力はこれらの相互作用の 1 つです。

基本的な相互作用:

重力;
電磁気;
強い相互作用。
弱い相互作用。

重力は 4 つの基本的な力の中で最も弱いです。

現在、重力を説明する理論は GTR (一般相対性理論) です。 1915年から1916年にかけてアルバート・アインシュタインによって提案されました。

しかし、究極の真実について話すのは時期尚早であることはわかっています。結局のところ、一般相対性理論が物理学に登場する数世紀前、ニュートンの理論は重力を説明するのに主流であり、それは大幅に拡張されました。

一般相対性理論の枠組み内では、重力に関連するすべての問題を説明し記述することは現時点では不可能です。

ニュートン以前は、地球上の重力と天上の重力は別のものであると広く信じられていました。惑星は地球とは異なる独自の理想の法則に従って動いていると考えられていました。

ニュートンは1667年に万有引力の法則を発見しました。もちろん、この法則は恐竜の時代やそれよりずっと昔から存在していました。

古代の哲学者は重力の存在について考えました。ガリレオは地球上の重力加速度を実験的に計算し、どのような質量の物体でも重力加速度が同じであることを発見しました。ケプラーは天体の運動法則を研究しました。

ニュートンは観察結果を定式化して一般化することに成功しました。彼が得たものは次のとおりです。

2 つの物体は、重力または重力と呼ばれる力によって互いに引き付けられます。

物体間の引力の公式:

G は重力定数、m は物体の質量、r は物体の質量中心間の距離です。

重力定数の物理的意味は何ですか? これは、質量 1 kg の物体が 1 メートルの距離にあるときに互いに作用する力に等しいです。

ニュートンの理論によれば、すべての物体は重力場を形成します。ニュートンの法則の精度は、1 センチメートル未満の距離でテストされています。もちろん、小さな塊の場合、これらの力は重要ではないので無視できます。

ニュートンの公式は、惑星の太陽への引力の計算と小さな物体の両方に適用できます。私たちは、たとえばビリヤード台のボールが引き寄せられる力に気づいていないだけです。それにもかかわらず、この力は存在し、計算することができます。

宇宙のあらゆる物体の間には引力が働きます。その効果はあらゆる距離にまで及びます。

ニュートンの万有引力の法則は重力の性質を説明するものではありませんが、定量的な法則を確立します。ニュートンの理論は GTR と矛盾しません。地球規模の実際的な問題を解決したり、天体の運動を計算したりするには十分です。

一般相対性理論における重力

ニュートンの理論は実際に十分に適用できるという事実にもかかわらず、多くの欠点があります。万有引力の法則は数学的に説明されたものですが、物事の基本的な物理的性質についての洞察は提供されません。

ニュートンによると、重力はどのような距離でも作用します。そしてそれは即座に機能します。世界最速が光速であることを考えると、矛盾が生じます。光が重力に打ち勝つのに一瞬ではなく数秒、場合によっては数年もかかるのに、重力はどのような距離でも瞬時にどのように作用するのでしょうか?

一般相対性理論の枠組みでは、重力は物体に作用する力ではなく、質量の影響による時空の湾曲として考えられます。したがって、重力は力の相互作用ではありません。

重力の影響は何ですか? たとえを使って説明してみましょう。

弾性シートの形で空間を想像してみましょう。軽いテニスボールをその上に置くと、表面は水平を保ちます。しかし、ボールの隣に重いおもりを置くと、表面に穴が押され、ボールは大きくて重いおもりに向かって転がり始めます。これが「重力」です。

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重力波の発見

重力波は 1916 年にアルバートアインシュタインによって予言されましたが、発見されたのはわずか 100 年後の 2015 年でした。

重力波とは何ですか? もう一度類推してみましょう。静かな水面に石を投げると、落ちたところから水面に円が現れます。重力波も同じ波紋、擾乱です。水の上だけではなく、世界の時空の中で。

水の代わりに時空があり、石の代わりに、たとえばブラックホールがあります。質量の加速運動は重力波を生成します。物体が自由落下状態にある場合、重力波が通過すると、物体間の距離が変化します。

重力は非常に弱い力であるため、重力波の検出には大きな技術的困難が伴いました。現代の技術により、超大質量源からのみ重力波のバーストを検出できるようになりました。

重力波の検出に適した現象は、ブラックホールの合体です。幸か不幸か、このようなことが起こることは非常にまれです。それにもかかわらず、科学者たちは文字通り宇宙空間を横切って転がる波を記録することに成功しました。

重力波を記録するために、直径 4 キロメートルの検出器が建設されました。波の通過中に、真空中のサスペンション上のミラーの振動と、そこから反射される光の干渉が記録されました。

重力波は一般相対性理論の正当性を裏付けました。

重力と素粒子

標準モデルでは、特定の素粒子が各相互作用の原因となります。粒子は相互作用の媒介者であると言えます。

重力子は、エネルギーを持った仮説上の無質量粒子であり、重力の原因となります。ちなみに、多くのノイズを引き起こしているヒッグス粒子やその他の素粒子については、別の資料で詳しく説明しています。

最後に、重力に関する興味深い事実をいくつか紹介します。

重力に関する10の事実

地球の重力に打ち勝つには、物体の速度は 7.91 km/s でなければなりません。これが第一脱出速度です。物体 (宇宙探査機など) が惑星の周りを周回する軌道上を移動できれば十分です。
地球の重力場から脱出するには、宇宙船の速度が少なくとも 11.2 km/s でなければなりません。これが 2 番目の脱出速度です。
最も強い重力を持つ天体はブラックホールです。それらの重力は非常に強いため、光（フォトン）さえも引き寄せます。
量子力学のどの方程式にも重力は見つかりません。実際のところ、方程式に重力を含めようとすると、その関連性が失われます。これは現代物理学の最も重要な問題の 1 つです。
重力という言葉は、ラテン語で「重い」を意味する「gravis」に由来します。
物体の質量が大きいほど、重力は強くなります。地球上で体重60キログラムの人が木星で体重を量ると、体重計は142キログラムを示します。
NASA の科学者たちは、重力を克服して物体を非接触で移動できるようにする重力ビームの開発を試みています。
軌道上の宇宙飛行士も重力を経験します。より正確に言えば、微小重力。彼らは乗っている船ごと無限に落ちていくように見えます。
重力は常に引き付け合うものであり、反発することはありません。
テニスボールほどの大きさのブラックホールは、地球と同じ力で物体を引き寄せます。

これで、重力の定義がわかり、引力の計算にどのような公式が使用されるかがわかりました。科学の花崗岩が重力よりも強くあなたを地面に押し付けている場合は、学生サービスにご連絡ください。最も重い負荷の下でも簡単に勉強できるようにお手伝いします。

すべての肉体は地球に落下します。その理由は重力の影響です。地球が物体を自分自身に引き寄せる力は、重力。指定Fヘビー。常に下を向いています。

重力はこの物体の質量に正比例します。

、F = mg

重力の影響下で物体が動くことを「重力」といいます。 フリーフォール。それは G. ガリレオによって最初に研究されました。彼は、落下物体が空気抵抗ではなく重力のみの影響を受ける場合、それらはすべて同じように動くことを確立しました。同じ加速度で。彼は名前が付けられました 自由落下の加速度 (g)。この値は、落下体の動きを一定間隔で測定することで実験的に求めることができます。計算によると、 g = 9.8 メートル/秒 2.

地球儀は極でわずかに平らになっています。したがってポールでは g赤道や他の緯度よりもわずかに多くなります。

すべての体の周りには特別な種類の物質があり、それらの物質が相互作用します。それは重力場と呼ばれます。

地球は、家、人、月、太陽、海や海洋の水など、すべての物体を引き付けます。そしてすべての体は互いに引き寄せられます。宇宙のすべての物体が互いに引き寄せ合うことを「引力」といいます。万有引力。 1687 年、I. ニュートンが最初に証明し確立しました。 万有引力の法則.

2 つの物体は、それらの質量の積に正比例し、それらの間の距離の 2 乗に反比例する力で互いに引き付けられます。

この力を重力（または重力）といいます。

法律の適用制限: 重要な点について。

G – 重力定数 G=6.67∙10 –11、

重力定数の数値は実験的に決定されます。これは、英国の科学者キャベンディッシュによって、ねじりダイナモメーター (ねじりバランス) を使用して最初に行われました。物理的意味: 互いに 1 m の距離にある、それぞれ重さ 1 kg の 2 つの物質点は、6.67 10 -11 N に等しい重力によって相互に引き付けられます。

万有引力の法則から、重力とそれによって引き起こされる重力加速度は、地球からの距離が遠くなるにつれて減少することがわかります。地球の表面から h の高さで、重力加速度係数は次の式で求められます。

重力は 2 つの方法で現れます。 a) 物体に支持がない場合、重力は物体に自由落下の加速を与えます。 b) 物体に支持体がある場合、地球に引き寄せられると、物体は支持体に作用します。地球への引力によって物体が支持体に作用する力は、重さ。サポートには重量がかかります。

サポートに加速度がない場合、重量係数は重力係数と等しくなります。 P=F ヘビーサポートに上向きの加速度がある場合、重量係数は重力係数より大きくなります。 P=Fストランド+ma。サポートに下向きの加速度がある場合、重量係数は重力係数より小さくなります。 P=F 重い -ma. サポートと本体が自由に落下すると、重量はゼロになります。 P=0。この状態を次のように呼びます。 無重力.

万有引力の法則を使用して、最初の脱出速度を計算できます。

mg=ma; g=a; a=v 2 /R; g=v 2 /R; v 2 =gR; v = √gR.、R は惑星の半径です。

チケット No. 5. 物質の構造に関する分子動力学理論の主な規定の実験による実証。理想的なガス。理想気体の分子動力学理論の基本方程式。温度とその変化。絶対温度。

すべての物体は小さな粒子、つまり原子と分子で構成されています。つまり、物質は離散的な構造を持っています。物質の離散構造の理論に基づいて、その多くの特性を説明し、予測することができます。

MKTの基礎(分子動力学理論)

1. すべての物質は分子（原子）から構成されています。

2. 分子（原子）は常に無秩序に運動しています。

3. 分子（原子）は相互作用します。

4. 分子（原子）の間には隙間があります。

ICT のこれらの規定には実験的な根拠があります。拡散とブラウン運動はこれらの位置を裏付けています。拡散 – ある物質の粒子が接触したときに、別の物質の粒子間に相互浸透すること。理由 ブラウン運動は、液体 (または気体) 分子の熱運動とブラウン粒子との衝突です。

物体を構成する粒子のランダムな動きを 熱的な動き。物体のすべての分子は熱運動に関与しているため、熱運動が変化すると、物体の状態とその特性も変化します。物質は、固体、液体、気体の 3 つの凝集状態にあります。凝集の状態は温度と外圧によって決まります。

物質がそれ自身の形を持たず、体積を保たない状態を気体といい、さらに気体と蒸気に分けられます。気体は、臨界温度を超える温度では気体状態です。自然界に存在する気体を実体といいます。物理学で気体の性質を研究するとき、自然界には存在しない気体のモデルを使用します。このモデルはと呼ばれます 理想気体。それは以下の条件を満たします: 1) その分子は体積を占めません。 2) 距離が離れていると、理想気体の分子は互いに相互作用しません。 3) 分子相互作用は絶対弾性衝撃時にのみ発生します。 4) 自由移動時間は衝突時間よりもはるかに長い。

あらゆるガスは 3 つのマクロパラメータによって決まります。

A) 圧力 (p) は力と面積の比です。( p=F/S)

B) 体積 (V) は、空間の限られた部分の尺度です。

C) 温度 (T) は、分子の並進運動の平均運動エネルギーの尺度です。

熱プロセスの場合、これは当てはまります 基本的な MKT 方程式、次のようになります。

背景

万有引力の法則は自然発生的に生まれたものではありません。古代以来、人々は主に農業暦を編纂したり、重要な日付や宗教上の祝日を計算したりするために空を研究してきました。観測によれば、「世界」の中心には発光体（太陽）があり、その周りを天体が公転する軌道を描いています。その後、教会の教義によりこれを考慮することはできなくなり、人々は数千年にわたって蓄積された知識を失いました。

16世紀、望遠鏡が発明される前に、教会の禁止事項を破り、科学的な方法で空を観察した銀河系の天文学者が現れました。 T. ブラーエは長年宇宙を観察しており、惑星の動きを特別な注意を払って体系化しました。これらの非常に正確なデータは、その後 I. ケプラーが彼の 3 つの法則を発見するのに役立ちました。

アイザック・ニュートンが重力の法則を発見したとき（1667年）、N・コペルニクスの世界の地動説は天文学においてついに確立されました。それによると、この系の各惑星は、多くの計算に十分な近似をすれば、円形とみなせる軌道で太陽の周りを回転します。 17世紀初頭。 I. ケプラーは、T. ブラーエの研究を分析し、惑星の動きを特徴付ける運動学の法則を確立しました。この発見は、惑星の運動の力学、つまり、まさにこの種の運動を決定する力を解明するための基礎となりました。

インタラクションの説明

短周期の弱い相互作用や強い相互作用とは異なり、重力と電磁場には長距離の特性があり、その影響は長距離にわたって現れます。大宇宙における機械現象は、電磁力と重力という 2 つの力の影響を受けます。衛星に対する惑星の影響、投げられたり打ち上げられた物体の飛行、液体中での物体の浮遊など、これらの現象にはそれぞれ重力が作用します。これらの物体は惑星に引き寄せられ、それに向かって引力がかかるため、「万有引力の法則」と呼ばれています。

肉体の間には確かに相互引力の力が存在することが証明されています。物体の地球への落下、月や惑星の太陽の周りの回転など、万有引力の力の影響下で起こる現象は重力と呼ばれます。

万有引力の法則: 公式

万有引力は次のように定式化されます。任意の 2 つの物質は特定の力で互いに引き付けられます。この力の大きさは、これらの物体の質量の積に正比例し、物体間の距離の二乗に反比例します。

この式では、m1 と m2 は研究対象の物質の質量です。 r は、計算されたオブジェクトの質量中心間で決定された距離です。 G は、1 m の距離にある 1 kg の 2 つの物体が相互に引き合う力を表す定重力量です。

引力は何に依存するのでしょうか?

重力の法則の働きは地域によって異なります。重力は特定の地域の緯度の値に依存するため、同様に重力加速度も場所によって異なります。重力とそれに伴う自由落下の加速度は地球の極で最大値を持ち、これらの点での重力は重力に等しい。最小値は赤道になります。

地球はわずかに平らで、極半径は赤道半径より約 21.5 km 小さくなります。ただし、この依存性は、地球の毎日の自転に比べればそれほど重要ではありません。計算によると、赤道では地球が扁平であるため、重力加速度の大きさは極地での値よりもわずかに 0.18% 小さく、毎日の自転後では 0.34% 小さくなります。

しかし、地球上の同じ場所では、方向ベクトルのなす角度が小さいため、引力と重力の差はわずかであり、計算では無視できます。つまり、これらの力のモジュールは同じであると仮定できます。地表近くの重力加速度はどこでも同じで、約 9.8 m/s² です。

結論

アイザック・ニュートンは科学革命を起こし、力学の原理を完全に再構築し、それに基づいて世界の科学的全体像を創造した科学者でした。彼の発見は科学の発展と物質的および精神的文化の創造に影響を与えました。世界の概念の結果を修正することはニュートンの運命にありました。 17世紀に科学者たちは、新しい科学、物理学の基礎を構築するという壮大な作業を完了しました。