Gravitacijos jėga

Ne tik paslaptingiausias gamtos jėgos bet ir galingiausias.

Žmogus pakeliui į pažangą

Istoriškai taip buvo žmogus kai judate į priekį progreso keliaiįvaldė vis galingesnes gamtos jėgas. Jis pradėjo, kai neturėjo nieko, išskyrus lazdą kumštyje ir savo fizines jėgas.

Tačiau jis buvo išmintingas ir naudojo gyvulių fizinę jėgą, kad jie būtų naminiai. Arklys pagreitino bėgimą, kupranugaris padarė dykumą pravažiuojamą, dramblys – pelkėtas džiungles. Tačiau net ir stipriausių gyvūnų fizinės jėgos yra nepamatuojamai mažos, palyginti su gamtos jėgomis.

Pirmasis asmuo pavergė ugnies stichiją, bet tik jos labiausiai susilpnėjusiose versijose. Iš pradžių – daugelį amžių – kaip kurą naudojo tik medieną – labai mažai energijos sunaudojantį kurą. Kiek vėliau iš šio energijos šaltinio išmoko panaudoti vėjo energiją, vyras pakėlė į orą baltą burės sparną – ir lengvas laivas kaip paukštis praskriejo virš bangų.

Burlaivis ant bangų

Jis apnuogino vėjo gūsius vėjo malūno mentes – ir sukosi sunkūs girnų akmenys, barškėjo kruopų grūstuvės. Tačiau visiems aišku, kad oro čiurkšlių energija toli gražu nėra sutelkta. Be to, ir burė, ir vėjo malūnas bijojo vėjo pūčių: audra suplėšė bures ir nuskandino laivus, audra sulaužė sparnus ir apvertė malūnus.

Dar vėliau žmogus pradėjo užkariauti tekantį vandenį. Ratas yra ne tik primityviausias iš prietaisų, galinčių vandens energiją paversti sukimosi judesiu, bet ir pats silpniausias, palyginti su įvairiais.

Žmogus judėjo į priekį pažangos laiptais ir jam reikėjo vis daugiau energijos.
Jis pradėjo naudoti naujas kuro rūšis – jau perėjus prie anglies deginimo kilogramo kuro energijos intensyvumas padidėjo nuo 2500 kcal iki 7000 kcal – beveik tris kartus. Tada atėjo laikas naftos ir dujų. Vėlgi, kiekvieno iškastinio kuro kilogramo energijos kiekis padidėjo pusantro ar du kartus.

Garo variklius pakeitė garo turbinos; malūno ratus pakeitė hidraulinės turbinos. Tada vyras ištiesė ranką skiliojo urano atomui. Tačiau pirmasis naujos rūšies energijos panaudojimas turėjo tragiškų pasekmių – 1945 metais Hirosimos branduolinė liepsna per kelias minutes sudegino 70 tūkstančių žmonių širdžių.

1954 metais pradėjo veikti pirmoji pasaulyje sovietinė atominė elektrinė, urano galią pavertusi elektros srovės spinduliuojančia galia. Ir reikia pažymėti, kad kilograme urano yra du milijonus kartų daugiau energijos nei kilograme geriausios naftos.

Tai buvo iš esmės nauja ugnis, kurią būtų galima pavadinti fizine, nes būtent fizikai tyrė procesus, lemiančius tokių pasakiškų energijos kiekių gimimą.
Uranas nėra vienintelis branduolinis kuras. Jau dabar naudojamas galingesnis kuras – vandenilio izotopai.

Deja, žmogus dar nesugebėjo numalšinti vandenilio helio branduolinės liepsnos. Jis žino, kaip akimirksniu įžiebti visą degančią ugnį, padegdamas vandenilinės bombos reakciją su urano sprogimo blyksniu. Tačiau vis arčiau mokslininkai mato vandenilio reaktorių, kuris generuos elektros srovę dėl vandenilio izotopų branduolių susiliejimo į helio branduolius.

Vėlgi, energijos kiekis, kurį žmogus gali pasisemti iš kiekvieno kuro kilogramo, padidės beveik dešimt kartų. Bet ar šis žingsnis bus paskutinis ateinančioje žmonijos galios prieš gamtos jėgas istorijoje?

Ne! Priekyje – gravitacinės energijos formos įvaldymas. Gamta supakuota dar apdairiau nei vandenilio ir helio sintezės energija. Šiandien tai yra labiausiai koncentruota energijos forma, apie kurią žmogus gali net numanyti.

Nieko toliau ten dar nematyti, už mokslo pažangos. Ir nors galime drąsiai teigti, kad jėgainės pasiteisins žmogui, perdirbdamos gravitacinę energiją į elektros srovę (o gal į dujų srovę, išskrendančią iš reaktyvinio variklio antgalio, arba į planuojamą visur esančių silicio ir deguonies atomų transformaciją). į itin retų metalų atomus), kol kas nieko negalime pasakyti apie tokios jėgainės detales (raketinis variklis, fizinis reaktorius).

Visuotinės gravitacijos jėga galaktikų gimimo pradžioje

Visuotinės gravitacijos jėga yra galaktikų gimimo ištakos iš priešžvaigždinės materijos, kaip įsitikinęs akademikas V.A.Ambartsumianas. Jis taip pat užgesina žvaigždes, kurios išdegė savo laiką, išnaudojusios žvaigždžių kurą, skirtą gimimo metu.

Taip, apsidairykite: viską Žemėje daugiausia valdo ši jėga.

Būtent ji lemia sluoksniuotą mūsų planetos struktūrą – litosferos, hidrosferos ir atmosferos kaitą. Būtent ji laiko storą oro dujų sluoksnį, kurio dugne ir kurio dėka mes visi egzistuojame.

Jei nebūtų gravitacijos, Žemė iš karto išsiveržtų iš savo orbitos aplink Saulę, o pats Žemės rutulys subyrėtų, draskomas išcentrinių jėgų. Sunku rasti ką nors, kas vienu ar kitu laipsniu nepriklausytų nuo visuotinės gravitacijos jėgos.

Žinoma, senovės filosofai, labai pastabūs žmonės, negalėjo nepastebėti, kad akmuo, išmestas aukštyn, visada sugrįžta. Platonas IV amžiuje prieš Kristų tai paaiškino tuo, kad visos visatos substancijos linksta ten, kur susitelkia dauguma panašių medžiagų: mestas akmuo nukrenta ant žemės arba nukrenta į dugną, išsiliejęs vanduo prasiskverbia į artimiausią tvenkinį arba į upę, kuri teka į jūrą, ugnies dūmai veržiasi į giminingus debesis.

Platono mokinys Aristotelis paaiškino, kad visi kūnai turi ypatingų sunkumo ir lengvumo savybių. Sunkūs kūnai – akmenys, metalai – veržiasi į visatos centrą, šviesa – ugnis, dūmai, garai – į periferiją. Ši hipotezė, paaiškinanti kai kuriuos reiškinius, susijusius su visuotinės traukos jėga, gyvuoja daugiau nei 2 tūkstančius metų.

Mokslininkai apie gravitacijos jėgą

Turbūt pirmasis iškėlė klausimą gravitacijos jėga tikrai mokslinis, buvo Renesanso genijus – Leonardo da Vinci. Leonardo skelbė, kad gravitacija būdinga ne tik Žemei, kad yra daug gravitacijos centrų. Jis taip pat pasiūlė, kad gravitacijos jėga priklauso nuo atstumo iki svorio centro.

Koperniko, Galilėjaus, Keplerio, Roberto Huko darbai vis labiau priartino prie visuotinės gravitacijos dėsnio idėjos, tačiau galutinėje formuluotėje šis dėsnis amžinai siejamas su Izaoko Niutono vardu.

Izaokas Niutonas apie gravitacijos jėgą

Gimė 1643 m. sausio 4 d. Baigė Kembridžo universitetą, tapo bakalauru, vėliau – mokslų magistrantūroje.

Viskas, kas toliau seka, yra begalinis mokslinių darbų gausa. Tačiau pagrindinis jo darbas yra „Matematiniai gamtos filosofijos principai“, išleisti 1687 m. ir paprastai vadinami tiesiog „Pradžia“. Būtent juose suformuluotas didysis. Turbūt visi jį prisimena iš vidurinės mokyklos laikų.

Visi kūnai traukia vienas kitą jėga, kuri yra tiesiogiai proporcinga šių kūnų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui ...

Kai kurias šios formuluotės nuostatas galėjo numatyti Niutono pirmtakai, tačiau ji dar niekam nebuvo suteikta visa. Niutono genialumo prireikė šiuos fragmentus surinkti į vientisą visumą, kad Žemės trauka paskleistų Mėnulį, o Saulės – visą planetų sistemą.

Iš visuotinės gravitacijos dėsnio Niutonas išvedė visus planetų judėjimo dėsnius, kuriuos anksčiau atrado Kepleris. Tai buvo tiesiog jos pasekmės. Be to, Niutonas parodė, kad ne tik Keplerio dėsniai, bet ir nukrypimai nuo šių dėsnių (trijų ir daugiau kūnų pasaulyje) yra visuotinės gravitacijos pasekmė... Tai buvo didelis mokslo triumfas.

Atrodė, kad pagaliau buvo atrasta ir matematiškai aprašyta pagrindinė gamtos jėga, kuri judina pasaulius – jėga, kuriai veikia oro, obuolių ir Saulės molekulės. Milžiniškas, neišmatuojamai didžiulis buvo Niutono žingsnis.

Pirmasis genialaus mokslininko kūrybos populiarintojas, prancūzų rašytojas Francois Marie Arouet, visame pasaulyje žinomas Voltero slapyvardžiu, sakė, kad Niutonas staiga atspėjo apie jo vardu pavadinto dėsnio egzistavimą, kai pažvelgė į krentantį obuolį.

Pats Niutonas niekada neužsiminė apie šį obuolį. Ir vargu ar verta šiandien gaišti laiko šios gražios legendos paneigimui. Ir, matyt, Niutonas suprato didžiulę gamtos galią loginiu samprotavimu. Tikėtina, kad jis buvo įtrauktas į atitinkamą „Pradžių“ skyrių.

Gravitacijos jėga veikia branduolio skrydį

Tarkime, kad ant labai aukšto kalno, tokio aukšto, kad jo viršūnė jau yra iš atmosferos, pastatėme milžinišką artilerijos gabalą. Jo vamzdis buvo pastatytas griežtai lygiagrečiai Žemės rutulio paviršiui ir iššautas. Apibūdinant lanką šerdis nukrenta ant žemės.

Didiname įkrovą, geriname parako kokybę, vienaip ar kitaip priverčiame šerdį judėti didesniu greičiu po kito šūvio. Šerdies aprašytas lankas tampa plokštesnis. Šerdis nukrenta daug toliau nuo mūsų kalno papėdės.

Taip pat padidiname įkrovą ir šauname. Branduolys skrenda tokia švelnia trajektorija, kad leidžiasi lygiagrečiai Žemės rutulio paviršiui. Šerdis nebegali nukristi į Žemę: tuo pačiu greičiu, kuriuo ji krenta, Žemė ištrūksta iš po jos. Ir, aprašius žiedą aplink mūsų planetą, šerdis grįžta į išvykimo tašką.

Tuo tarpu ginklą galima išimti. Juk branduolio skrydis aplink Žemės rutulį užtruks ne vieną valandą. Ir tada šerdis greitai nuplauks per kalno viršūnę ir eis į naują ratą aplink Žemę. Kritimas, jei, kaip susitarėme, šerdis nepatirs jokio oro pasipriešinimo, tai niekada negalės.

Pagrindinis greitis šiuo atveju turėtų būti artimas 8 km/sek. O jei padidinsite šerdies skrydžio greitį? Pirmiausia jis skris lanku, švelnesniu už žemės paviršiaus kreivumą, ir pradės tolti nuo Žemės. Tuo pačiu metu jo greitis, veikiamas Žemės gravitacijos, sumažės.

Ir galiausiai, apsisukęs, jis tarsi pradės kristi atgal į Žemę, bet praskris pro ją ir užbaigs nebe ratą, o elipsę. Šerdis judės aplink Žemę lygiai taip pat, kaip Žemė judės aplink Saulę, būtent elipsėje, kurios viename iš židinių bus mūsų planetos centras.

Jei dar padidinsime pradinį branduolio greitį, elipsė pasirodys labiau ištempta. Galima šią elipsę ištempti taip, kad branduolys pasieks Mėnulio orbitą ar net kur kas toliau. Tačiau kol pradinis šio branduolio greitis neviršys 11,2 km/s, jis išliks Žemės palydovu.

Branduolys, kurio greitis buvo didesnis nei 11,2 km / s, kai buvo paleistas, amžinai nuskris nuo Žemės paraboline trajektorija. Jei elipsė yra uždara kreivė, tada parabolė yra kreivė, turinti dvi šakas, einančius į begalybę. Judėdami elipse, kad ir kokia ji būtų pailgėjusi, neišvengiamai sistemingai grįšime į pradinį tašką. Judėdami palei parabolę, mes niekada negrįšime į pradinį tašką.

Tačiau, palikęs Žemę tokiu greičiu, branduolys dar negalės skristi į begalybę. Galinga Saulės gravitacija sulenks savo skrydžio trajektoriją, užsidarys aplink save kaip planetos trajektorija. Šerdis taps Žemės seserimi, mažyte mūsų pačių planetų šeimos planeta.

Norint nukreipti branduolį už planetų sistemos ribų, įveikti saulės trauką, reikia pasakyti jam didesnį nei 16,7 km/s greitį ir nukreipti taip, kad prie šio greičio būtų pridėtas ir pačios Žemės judėjimo greitis. .

Maždaug 8 km/s greitis (šis greitis priklauso nuo kalno, iš kurio šauna mūsų ginklas, aukščio) vadinamas apskritimu, 8–11,2 km/s greitis yra elipsinis, 11,2–16,7 km/s – parabolinis. o virš šio skaičiaus – išlaisvinamieji greičiai.

Čia reikia pridurti, kad nurodytos šių greičių reikšmės galioja tik Žemei. Jei gyventume Marse, apskritimo greitį mums pasiekti būtų daug lengviau – ten jis tik apie 3,6 km/s, o parabolinis greitis tik šiek tiek didesnis nei 5 km/s.

Kita vertus, branduolį pasiųsti į kosminį skrydį iš Jupiterio būtų daug sunkiau nei iš Žemės: apskritimo greitis šioje planetoje siekia 42,2 km/s, o parabolinis – net 61,8 km/s!

Saulės gyventojams būtų sunkiausia palikti savo pasaulį (jei, žinoma, toks galėtų egzistuoti). Šio milžino apskritimo greitis turėtų būti 437,6, o atsiskyrimo greitis - 618,8 km / s!

Taigi Niutonas XVII amžiaus pabaigoje, likus šimtui metų iki pirmojo karšto oro baliono, kurį pripildė broliai Montgolfier, skrydžio, du šimtus metų iki pirmųjų brolių Wrightų lėktuvo skrydžių ir beveik ketvirtį. tūkstantmetį iki pirmųjų skystųjų raketų pakilimo, nurodė kelią į dangų palydovams ir erdvėlaiviams.

Gravitacijos jėga būdinga kiekvienai sferai

Naudojant gravitacijos dėsnis buvo atrastos nežinomos planetos, sukurtos kosmogoninės Saulės sistemos atsiradimo hipotezės. Buvo atrasta ir matematiškai aprašyta pagrindinė gamtos jėga, kuri valdo žvaigždes, planetas, obuolius sode ir dujų molekules atmosferoje.

Bet mes nežinome visuotinės gravitacijos mechanizmo. Niutono gravitacija nepaaiškina, bet vizualiai parodo dabartinę planetos judėjimo būseną.

Mes nežinome, kas sukelia visų Visatos kūnų sąveiką. Ir negalima sakyti, kad Niutono ši priežastis nesidomėjo. Daug metų jis svarstė galimą jos mechanizmą.

Beje, tai išties itin paslaptinga galia. Jėga, pasireiškianti per šimtus milijonų kilometrų erdvės, kurioje iš pirmo žvilgsnio nėra jokių materialių darinių, kurių pagalba būtų galima paaiškinti sąveikos perdavimą.

Niutono hipotezės

Ir Niutonas griebėsi hipotezė apie tam tikro eterio, kuris tariamai užpildo visą Visatą, egzistavimą. 1675 metais trauką į Žemę jis paaiškino tuo, kad visą Visatą užpildantis eteris nenutrūkstamais srautais veržiasi į Žemės centrą, užfiksuodamas visus šio judėjimo objektus ir sukurdamas gravitacijos jėgą. Tas pats eterio srautas veržiasi į Saulę ir, tempdamas planetas, kometas, užtikrina jų elipsines trajektorijas...

Tai nebuvo labai įtikinama, nors ir absoliučiai matematiškai logiška hipotezė. Tačiau dabar, 1679 m., Niutonas sukūrė naują hipotezę, paaiškinančią gravitacijos mechanizmą. Šį kartą jis eteriui suteikia savybę turėti skirtingą koncentraciją šalia planetų ir toli nuo jų. Kuo toliau nuo planetos centro, tuo tariamai tankesnis eteris. Ir ji turi savybę visus materialius kūnus iš tankesnių sluoksnių išspausti į ne tokius tankius. Ir visi kūnai yra išspausti į Žemės paviršių.

1706 m. Niutonas griežtai neigia patį eterio egzistavimą. 1717 m. jis vėl grįžta prie hipotezės apie eterio išspaudimą.

Išradingos Niutono smegenys kovojo dėl didžiosios paslapties sprendimo ir jo nerado. Tai paaiškina tokį aštrų mėtymą iš vienos pusės į kitą. Niutonas sakydavo:

Aš nekeliau hipotezių.

Ir nors, kaip mes tik galėjome įsitikinti, tai nėra visiškai tiesa, tikrai galime teigti ką nors kita: Niutonas sugebėjo aiškiai atskirti neginčijamus dalykus nuo nepastovių ir prieštaringų hipotezių. O Elementuose yra didžiojo dėsnio formulė, bet nebandoma paaiškinti jos mechanizmo.
Didysis fizikas šią mįslę paliko ateities žmogui. Jis mirė 1727 m.
Tai neišspręsta ir šiandien.

Diskusija apie fizinę Niutono dėsnio esmę truko du šimtmečius. Ir galbūt ši diskusija nebūtų susijusi su pačia įstatymo esme, jei jis tiksliai atsakytų į visus jam pateiktus klausimus.

Tačiau faktas yra tas, kad laikui bėgant paaiškėjo, kad šis įstatymas nėra universalus. Kad būna atvejų, kai jis negali paaiškinti to ar kito reiškinio. Pateikime pavyzdžių.

Gravitacijos jėga Seeligerio skaičiavimuose

Pirmasis iš jų yra Seeligerio paradoksas. Laikydamas, kad Visata yra begalinė ir tolygiai užpildyta materija, Seeligeris pagal Niutono dėsnį bandė apskaičiuoti universalią gravitacijos jėgą, kurią tam tikru jos tašku sukuria visa be galo didelė begalinės Visatos masė.

Tai nebuvo lengva užduotis grynosios matematikos požiūriu. Įveikęs visus sudėtingiausių transformacijų sunkumus, Seeligeris nustatė, kad norima visuotinės gravitacijos jėga yra proporcinga Visatos spinduliui. O kadangi šis spindulys lygus begalybei, tai gravitacinė jėga turi būti be galo didelė. Tačiau praktiškai to nematome. Tai reiškia, kad visuotinės gravitacijos dėsnis galioja ne visai visatai.

Tačiau galimi ir kiti paradokso paaiškinimai. Pavyzdžiui, galime daryti prielaidą, kad materija tolygiai užpildo visą Visatą, tačiau jos tankis palaipsniui mažėja ir galiausiai kažkur labai toli materijos visai nėra. Tačiau įsivaizduoti tokį vaizdą reiškia pripažinti erdvės egzistavimo be materijos galimybę, o tai apskritai yra absurdiška.

Galime manyti, kad gravitacijos jėga susilpnėja greičiau nei didėja atstumo kvadratas. Tačiau tai verčia abejoti stebina Niutono dėsnio harmonija. Ne, ir šis paaiškinimas mokslininkų netenkino. Paradoksas liko paradoksu.

Merkurijaus judėjimo stebėjimai

Dar vienas faktas – visuotinės gravitacijos jėgos veikimas, nepaaiškintas Niutono dėsniu Merkurijaus judėjimo stebėjimas- arčiausiai planetos. Tikslūs skaičiavimai pagal Niutono dėsnį parodė, kad perehelionas – elipsės taškas, kuriuo Merkurijus juda arčiausiai Saulės – per 100 metų turėtų pasislinkti 531 lanko sekunde.

O astronomai nustatė, kad šis poslinkis yra lygus 573 lanko sekundėms. Šio pertekliaus – 42 lanko sekundės – mokslininkai taip pat negalėjo paaiškinti, pasitelkę tik iš Niutono dėsnio kylančias formules.

Jis paaiškino ir Seeligerio paradoksą, ir Merkurijaus perkeliono poslinkį, ir daugybę kitų paradoksalių reiškinių ir nepaaiškinamų faktų. Albertas Einšteinas, vienas didžiausių, jei ne didžiausias visų laikų fizikas. Tarp erzinančių smulkmenų buvo klausimas eterinis vėjas.

Alberto Michelsono eksperimentai

Atrodė, kad šis klausimas tiesiogiai nesusijęs su gravitacijos problema. Jis buvo susijęs su optika, su šviesa. Tiksliau, į jo greičio apibrėžimą.

Danų astronomas pirmasis nustatė šviesos greitį. Olafas Remeris stebėdamas Jupiterio mėnulių užtemimą. Tai įvyko dar 1675 m.

Amerikos fizikas Albertas Michelsonas pabaigoje, naudodamas savo sukurtą aparatą, jis atliko daugybę šviesos greičio nustatymo antžeminėmis sąlygomis.

1927 m. jis nurodė šviesos greitį 299796 + 4 km/s, o tai buvo puikus to meto tikslumas. Tačiau reikalo esmė kitokia. 1880 m. jis nusprendė ištirti eterinį vėją. Jis norėjo pagaliau nustatyti to paties eterio egzistavimą, kurio buvimu jie bandė paaiškinti ir gravitacinės sąveikos, ir šviesos bangų perdavimą.

Michelsonas buvo turbūt ryškiausias savo laiko eksperimentuotojas. Jis turėjo puikią įrangą. Ir jis buvo beveik tikras dėl sėkmės.

Patirties esmė

Patirtis buvo sumanyta taip. Žemė savo orbitoje juda maždaug 30 km/s greičiu.. Juda oru. Tai reiškia, kad šviesos greitis iš šaltinio, kuris yra prieš imtuvą, palyginti su Žemės judėjimu, turi būti didesnis nei iš šaltinio, esančio kitoje pusėje. Pirmuoju atveju prie šviesos greičio reikia pridėti eterinio vėjo greitį, antruoju atveju šviesos greitis turi sumažėti šia reikšme.