Gravitačná sila

Nielen tie najzáhadnejšie sily prírody ale aj najmocnejší.

Muž na ceste k pokroku

Historicky to tak bolo človek ako sa posúvate vpred cesty pokroku ovládal stále mocnejšie prírodné sily. Začal, keď nemal nič iné ako palicu v päste a vlastnú fyzickú silu.

Ale bol múdry a do svojich služieb vniesol fyzickú silu zvierat, vďaka ktorým sa stali domácimi. Kôň zrýchlil beh, ťava urobila púšť priechodnou, slon močaristú džungľu. Ale fyzické sily aj tých najsilnejších zvierat sú v porovnaní so silami prírody nesmierne malé.

Prvá osoba si podmanila živel ohňa, ale len v jeho najslabších verziách. Spočiatku – dlhé stáročia – používal ako palivo len drevo – veľmi nízkoenergetický druh paliva. O niečo neskôr sa naučil využívať veternú energiu z tohto zdroja energie, človek zdvihol biele krídlo plachty do vzduchu - a ľahká loď preletela ako vták ponad vlny.

Plachetnica na vlnách

Lopatky veterného mlyna vystavil poryvom vetra – a ťažké kamene mlynských kameňov sa roztočili, paličky krúp rachotili. Ale každému je jasné, že energia prúdov vzduchu nie je ani zďaleka koncentrovaná. Plachta aj veterný mlyn sa navyše báli nárazov vetra: búrka roztrhala plachty a potopila lode, búrka zlomila krídla a prevrátila mlyny.

Aj neskôr začal človek dobýjať tečúcu vodu. Koleso je nielen najprimitívnejšie zo zariadení schopných premeniť energiu vody na rotačný pohyb, ale v porovnaní s rôznymi je aj najnedostatočnejšie.

Človek napredoval na rebríčku pokroku a potreboval stále viac energie.
Začal používať nové druhy palív – už prechod na spaľovanie uhlia zvýšil energetickú náročnosť kilogramu paliva z 2500 kcal na 7000 kcal – takmer trojnásobne. Potom prišiel čas ropy a zemného plynu. Energetický obsah každého kilogramu fosílnych palív sa opäť zvýšil jeden a pol až dvakrát.

Parné stroje boli nahradené parnými turbínami; mlynské kolesá nahradili hydraulické turbíny. Potom muž natiahol ruku k štiepnemu atómu uránu. Prvé použitie nového druhu energie však malo tragické následky – jadrový plameň Hirošimy v roku 1945 spálil v priebehu niekoľkých minút 70-tisíc ľudských sŕdc.

V roku 1954 bola uvedená do prevádzky prvá sovietska jadrová elektráreň na svete, ktorá premenila silu uránu na žiarivú silu elektrického prúdu. A treba si uvedomiť, že kilogram uránu obsahuje dva milióny krát viac energie ako kilogram tej najlepšej ropy.

Išlo o zásadne nový oheň, ktorý by sa dal nazvať fyzikálnym, pretože práve fyzici študovali procesy vedúce k zrodu takého rozprávkového množstva energie.
Urán nie je jediným jadrovým palivom. Už sa používa výkonnejší typ paliva – izotopy vodíka.

Žiaľ, vodíkovo-héliový jadrový plameň sa človeku zatiaľ nepodarilo pokoriť. Vie, ako na chvíľu zapáliť svoj horiaci oheň a zapáliť reakciu vo vodíkovej bombe zábleskom výbuchu uránu. Čoraz bližšie však vedci vidia vodíkový reaktor, ktorý bude generovať elektrický prúd ako výsledok fúzie jadier izotopov vodíka na jadrá hélia.

Opäť platí, že množstvo energie, ktoré môže človek odobrať z každého kilogramu paliva, sa zvýši takmer desaťnásobne. Bude však tento krok posledným v nadchádzajúcich dejinách ľudskej moci nad prírodnými silami?

Nie! Ahead - zvládnutie gravitačnej formy energie. Príroda ho balí ešte prezieravejšie ako energia fúzie vodíka a hélia. Dnes je to najkoncentrovanejšia forma energie, o ktorej môže človek čo i len tušiť.

Nič viac tam za hranicami vedy ešte nie je viditeľné. A aj keď môžeme s istotou povedať, že elektrárne budú pracovať pre človeka, spracovanie gravitačnej energie na elektrický prúd (alebo možno na prúd plynu vylietavajúci z trysky prúdového motora alebo na plánovanú premenu všadeprítomných atómov kremíka a kyslíka do atómov ultravzácnych kovov), nevieme zatiaľ povedať nič o detailoch takejto elektrárne (raketový motor, fyzikálny reaktor).

Sila univerzálnej gravitácie pri počiatkoch zrodu galaxií

Sila univerzálnej gravitácie stojí na počiatku zrodu galaxií z predhviezdnej hmoty, ako je presvedčený akademik V.A. Ambartsumyan. Zhasne aj hviezdy, ktoré vyhoreli svoj čas, pretože minuli hviezdne palivo, ktoré im bolo pridelené pri narodení.

Áno, pozrite sa okolo seba: všetko na Zemi je do značnej miery ovládané touto silou.

Práve ona určuje vrstvenú štruktúru našej planéty – striedanie litosféry, hydrosféry a atmosféry. Práve ona drží hrubú vrstvu vzdušných plynov, na dne ktorej a vďaka ktorej všetci existujeme.

Ak by neexistovala gravitácia, Zem by sa okamžite vymanila z obežnej dráhy okolo Slnka a samotná zemeguľa by sa rozpadla na kusy, roztrhnutá odstredivými silami. Je ťažké nájsť niečo, čo by v tej či onej miere nebolo závislé od sily univerzálnej gravitácie.

Samozrejme, starovekí filozofi, veľmi pozorní ľudia, si nemohli nevšimnúť, že kameň hodený hore sa vždy vráti. Platón v 4. storočí pred Kristom to vysvetlil tak, že všetky látky vesmíru majú tendenciu tam, kde sa sústreďuje väčšina podobných látok: hodený kameň padne na zem alebo ide ku dnu, rozliata voda presiakne do najbližšieho jazierka resp. do rieky, ktorá si razí cestu k moru, dym z ohňa sa ženie k jej spriazneným oblakom.

Žiak Platóna, Aristoteles, objasnil, že všetky telesá majú špeciálne vlastnosti, ako je váha a ľahkosť. Ťažké telesá - kamene, kovy - sa ponáhľajú do stredu vesmíru, svetlo - oheň, dym, pary - na perifériu. Táto hypotéza, ktorá vysvetľuje niektoré javy spojené so silou univerzálnej gravitácie, existuje už viac ako 2 tisíc rokov.

Vedci o gravitačnej sile

Pravdepodobne prvý, kto nastolí otázku gravitačná sila skutočne vedecký, bol génius renesancie - Leonardo da Vinci. Leonardo hlásal, že gravitácia je charakteristická nielen pre Zem, že existuje veľa ťažísk. A tiež navrhol, že sila gravitácie závisí od vzdialenosti od ťažiska.

Diela Koperníka, Galilea, Keplera, Roberta Hooka priblížili a priblížili myšlienku zákona univerzálnej gravitácie, ale vo svojej konečnej formulácii je tento zákon navždy spojený s menom Isaaca Newtona.

Isaac Newton o sile gravitácie

Narodil sa 4. januára 1643. Vyštudoval University of Cambridge, stal sa bakalárom, potom - magistrom vied.

Všetko, čo nasleduje, je nekonečné množstvo vedeckých prác. Ale jeho hlavným dielom sú „Matematické princípy prírodnej filozofie“, vydané v roku 1687 a zvyčajne nazývané jednoducho „Začiatky“. Práve v nich sa formuluje to veľké. Asi každý si ho pamätá zo strednej školy.

Všetky telesá sú k sebe priťahované silou, ktorá je priamo úmerná súčinu hmotností týchto telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi ...

Niektoré ustanovenia tejto formulácie mohli už Newtonovi predchodcovia predpokladať, no ešte nebola nikomu daná celá. Na zostavenie týchto fragmentov do jedného celku bol potrebný Newtonov génius, aby sa príťažlivosť Zeme rozšírila na Mesiac a Slnko na celý planetárny systém.

Zo zákona univerzálnej gravitácie Newton odvodil všetky zákony pohybu planét, ktoré objavil už Kepler. Boli to len jej následky. Navyše Newton ukázal, že nielen Keplerove zákony, ale aj odchýlky od týchto zákonov (vo svete troch a viacerých telies) sú výsledkom univerzálnej gravitácie... Bol to veľký triumf vedy.

Zdalo sa, že konečne bola objavená a matematicky opísaná hlavná sila prírody, ktorá hýbe svetmi, sila, ktorej podliehajú molekuly vzduchu, jablká a Slnko. Obrovský, nesmierne obrovský bol krok, ktorý urobil Newton.

Prvý popularizátor diela geniálneho vedca, francúzsky spisovateľ Francois Marie Arouet, svetoznámy pod pseudonymom Voltaire, povedal, že Newton zrazu pri pohľade na padajúce jablko uhádol existenciu zákona pomenovaného po ňom.

Sám Newton toto jablko nikdy nespomenul. A dnes sotva stojí za to strácať čas vyvracaním tejto krásnej legendy. A očividne Newton pochopil veľkú silu prírody logickým uvažovaním. Je pravdepodobné, že bol zahrnutý do zodpovedajúcej kapitoly „Začiatky“.

Gravitačná sila ovplyvňuje let jadra

Predpokladajme, že na veľmi vysokej hore, tak vysokej, že jej vrchol je už mimo atmosféry, sme postavili gigantické delostrelectvo. Jeho hlaveň bola umiestnená striktne rovnobežne s povrchom zemegule a vystrelená. Opis oblúka jadro padá na zem.

Zvyšujeme náboj, zlepšujeme kvalitu pušného prachu, tak či onak prinútime jadro sa po ďalšom výstrele pohybovať vyššou rýchlosťou. Oblúk opísaný jadrom sa stáva plochejším. Jadro spadá oveľa ďalej od úpätia našej hory.

Tiež zvyšujeme náboj a strieľame. Jadro letí po takej miernej trajektórii, že klesá rovnobežne s povrchom zemegule. Jadro už nemôže spadnúť na Zem: rovnakou rýchlosťou, akou padá, Zem spod neho uniká. A po opísaní prstenca okolo našej planéty sa jadro vráti do východiskového bodu.

Pištoľ je možné medzitým odstrániť. Veď let jadra okolo zemegule potrvá viac ako hodinu. A potom jadro rýchlo prejde cez vrchol hory a prejde do nového kruhu okolo Zeme. Pád, ak, ako sme sa dohodli, jadro nepociťuje odpor vzduchu, nebude môcť nikdy.

Rýchlosť jadra by sa mala pohybovať okolo 8 km/s. A ak zvýšite rýchlosť letu jadra? Najprv poletí v oblúku, jemnejšom ako zakrivenie zemského povrchu, a začne sa od Zeme vzďaľovať. Zároveň sa zníži jeho rýchlosť pod vplyvom zemskej príťažlivosti.

A nakoniec, keď sa otočí, začne akoby klesať späť k Zemi, ale preletí okolo nej a už nedotvorí kruh, ale elipsu. Jadro sa bude pohybovať okolo Zeme presne tak, ako sa Zem pohybuje okolo Slnka, a to po elipse, v ktorej jednom z ohniskov sa bude nachádzať stred našej planéty.

Ak ďalej zvýšime počiatočnú rýchlosť jadra, elipsa sa ukáže byť viac natiahnutá. Túto elipsu je možné natiahnuť tak, že jadro dosiahne obežnú dráhu Mesiaca alebo ešte oveľa ďalej. Kým však počiatočná rýchlosť tohto jadra nepresiahne 11,2 km/s, zostane satelitom Zeme.

Jadro, ktoré pri výstrele dostalo rýchlosť vyše 11,2 km/s, navždy odletí od Zeme po parabolickej trajektórii. Ak je elipsa uzavretá krivka, potom parabola je krivka, ktorá má dve vetvy smerujúce do nekonečna. Pohybom po elipse, bez ohľadu na to, aká môže byť predĺžená, sa nevyhnutne systematicky vrátime k východiskovému bodu. Pohybujúc sa po parabole sa nikdy nevrátime do východiskového bodu.

Ale po opustení Zeme touto rýchlosťou jadro ešte nebude schopné lietať do nekonečna. Silná gravitácia Slnka ohne trajektóriu jeho letu, uzavrie sa okolo seba ako trajektória planéty. Jadro sa stane sestrou Zeme, malou planétou v našej vlastnej rodine planét.

Aby bolo možné nasmerovať jadro mimo planetárneho systému, prekonať slnečnú príťažlivosť, je potrebné povedať mu rýchlosť viac ako 16,7 km / s a ​​nasmerovať ho tak, aby sa k tejto rýchlosti pripočítala rýchlosť vlastného pohybu Zeme. .

Rýchlosť okolo 8 km/s (táto rýchlosť závisí od výšky hory, z ktorej naše delo strieľa) sa nazýva kruhová rýchlosť, rýchlosti od 8 do 11,2 km/s sú eliptické, od 11,2 do 16,7 km/s sú parabolické, a nad toto číslo - oslobodzujúce rýchlosti.

Tu treba dodať, že uvedené hodnoty týchto rýchlostí platia len pre Zem. Ak by sme žili na Marse, kruhovú rýchlosť by sme dosiahli oveľa ľahšie – je to tam len asi 3,6 km/s a parabolická rýchlosť je len o niečo viac ako 5 km/s.

Na druhej strane by bolo oveľa ťažšie poslať jadro vesmírnym letom z Jupitera ako zo Zeme: kruhová rýchlosť na tejto planéte je 42,2 km/s a parabolická dokonca 61,8 km/s!

Pre obyvateľov Slnka by bolo najťažšie opustiť svoj svet (ak by, samozrejme, taký mohol existovať). Kruhová rýchlosť tohto obra by mala byť 437,6 a rýchlosť separácie - 618,8 km / s!

Takže Newton na konci 17. storočia, sto rokov pred prvým letom teplovzdušného balóna naplneného teplým vzduchom bratmi Montgolfierovými, dvesto rokov pred prvými letmi lietadla bratov Wrightovcov a takmer štvrť tisícročia pred vzletom prvých rakiet na kvapalinu, ukázal cestu k oblohe pre satelity a kozmické lode.

Gravitačná sila je vlastná každej sfére

Používaním zákon gravitácie boli objavené neznáme planéty, vznikli kozmogonické hypotézy o vzniku slnečnej sústavy. Bola objavená a matematicky opísaná hlavná sila prírody, ktorá ovláda hviezdy, planéty, jablká v záhrade a molekuly plynu v atmosfére.

Ale nepoznáme mechanizmus univerzálnej gravitácie. Newtonovská gravitácia nevysvetľuje, ale vizuálne predstavuje súčasný stav pohybu planét.

Nevieme, čo spôsobuje interakciu všetkých tiel vesmíru. A nedá sa povedať, že by Newtona tento dôvod nezaujímal. Dlhé roky uvažoval nad jej možným mechanizmom.

Mimochodom, toto je skutočne mimoriadne tajomná sila. Sila, ktorá sa prejavuje v stovkách miliónov kilometrov priestoru, na prvý pohľad bez akýchkoľvek hmotných útvarov, pomocou ktorých by sa dal vysvetliť prenos interakcie.

Newtonove hypotézy

A Newton uchýlil sa k hypotéza o existencii istého éteru, ktorý údajne napĺňa celý Vesmír. V roku 1675 vysvetlil príťažlivosť Zeme tým, že éter napĺňajúci celý Vesmír sa rúti do stredu Zeme v nepretržitých prúdoch, zachytávajúc všetky objekty v tomto pohybe a vytvára gravitačnú silu. Rovnaký prúd éteru sa rúti k Slnku a ťahajúc planéty, kométy, zabezpečuje ich eliptické trajektórie...

Nebola to veľmi presvedčivá, aj keď absolútne matematicky logická hypotéza. Ale teraz, v roku 1679, Newton vytvoril novú hypotézu vysvetľujúcu mechanizmus gravitácie. Tentoraz obdarúva éter vlastnosťou mať inú koncentráciu v blízkosti planét a ďaleko od nich. Čím ďalej od stredu planéty, tým je údajne hustejší éter. A má tú vlastnosť, že vytlačí všetky hmotné telesá z ich hustejších vrstiev do menej hustých. A všetky telesá sú vytlačené na povrch Zeme.

V roku 1706 Newton ostro popiera samotnú existenciu éteru. V roku 1717 sa opäť vracia k hypotéze o vytláčaní éteru.

Geniálny mozog Newtona bojoval o riešenie veľkej záhady a nenašiel ho. To vysvetľuje také prudké hádzanie zo strany na stranu. Newton hovorieval:

Nerobím si hypotézy.

A hoci to, ako sme si mohli len overiť, nie je celkom pravda, rozhodne môžeme konštatovať niečo iné: Newton dokázal jasne odlíšiť veci, ktoré sú nespochybniteľné, od nestálych a kontroverzných hypotéz. A v Živloch je vzorec veľkého zákona, ale nie je tu žiadny pokus vysvetliť jeho mechanizmus.
Veľký fyzik odkázal túto hádanku mužovi budúcnosti. Zomrel v roku 1727.
Nevyriešilo sa to ani dnes.

Diskusia o fyzikálnej podstate Newtonovho zákona trvala dve storočia. A možno by sa táto diskusia netýkala samotnej podstaty zákona, keby odpovedal presne na všetky otázky, ktoré mu boli položené.

Faktom však je, že časom sa ukázalo, že tento zákon nie je univerzálny. Že sú prípady, keď nevie vysvetliť ten či onen jav. Uveďme si príklady.

Gravitačná sila v Seeligerových výpočtoch

Prvým z nich je Seeligerov paradox. Seeliger, ktorý považoval vesmír za nekonečný a rovnomerne naplnený hmotou, sa pokúsil vypočítať podľa Newtonovho zákona univerzálnu gravitačnú silu vytvorenú celou nekonečne veľkou hmotnosťou nekonečného vesmíru v určitom bode v ňom.

Z pohľadu čistej matematiky to nebola ľahká úloha. Po prekonaní všetkých ťažkostí najzložitejších transformácií, Seeliger zistil, že požadovaná sila univerzálnej gravitácie je úmerná polomeru vesmíru. A keďže sa tento polomer rovná nekonečnu, potom musí byť gravitačná sila nekonečne veľká. V praxi to však nevidíme. To znamená, že zákon univerzálnej gravitácie neplatí pre celý vesmír.

Možné sú však aj iné vysvetlenia paradoxu. Môžeme napríklad predpokladať, že hmota nevypĺňa rovnomerne celý vesmír, ale jej hustota postupne klesá a nakoniec niekde veľmi ďaleko nie je hmota vôbec. No predstaviť si takýto obraz znamená pripustiť možnosť existencie priestoru bez hmoty, čo je vo všeobecnosti absurdné.

Môžeme predpokladať, že gravitačná sila slabne rýchlejšie, ako rastie štvorec vzdialenosti. To však spochybňuje prekvapivú harmóniu Newtonovho zákona. Nie a toto vysvetlenie vedcov neuspokojilo. Paradox zostal paradoxom.

Pozorovania pohybu Merkúra

Ďalší fakt, pôsobenie sily univerzálnej gravitácie, nevysvetlený Newtonovým zákonom, priniesol pozorovanie pohybu Merkúra- najbližšie k planéte. Presné výpočty podľa Newtonovho zákona ukázali, že perehelion – bod elipsy, po ktorom sa Merkúr pohybuje najbližšie k Slnku – by sa mal za 100 rokov posunúť o 531 oblúkových sekúnd.

A astronómovia zistili, že tento posun sa rovná 573 oblúkovým sekundám. Tento prebytok - 42 oblúkových sekúnd - vedci tiež nedokázali vysvetliť iba pomocou vzorcov vyplývajúcich z Newtonovho zákona.

Vysvetlil ako Seeligerov paradox, tak aj premiestnenie Merkúrovho perhélia a mnohé ďalšie paradoxné javy a nevysvetliteľné skutočnosti. Albert Einstein, jeden z najväčších, ak nie najväčší fyzik všetkých čias. Medzi nepríjemné maličkosti patrila otázka éterický vietor.

Experimenty Alberta Michelsona

Zdalo sa, že táto otázka sa netýka priamo problému gravitácie. Týkal sa optiky, svetla. Presnejšie k definícii jeho rýchlosti.

Dánsky astronóm ako prvý určil rýchlosť svetla. Olaf Remer sledovanie zatmenia mesiacov Jupitera. Stalo sa tak už v roku 1675.

americký fyzik Albert Michelson na konci 18. storočia vykonal sériu stanovení rýchlosti svetla v pozemských podmienkach pomocou prístroja, ktorý navrhol.

V roku 1927 udával rýchlosť svetla 299796 + 4 km/s, čo bola na tie časy vynikajúca presnosť. Podstata veci je ale iná. V roku 1880 sa rozhodol preskúmať éterický vietor. Chcel konečne dokázať existenciu práve toho éteru, ktorého prítomnosťou sa snažili vysvetliť tak prenos gravitačnej interakcie, ako aj prenos svetelných vĺn.

Michelson bol pravdepodobne najpozoruhodnejším experimentátorom svojej doby. Mal vynikajúce vybavenie. A úspechom si bol takmer istý.

Esencia skúsenosti

Skúsenosť bol koncipovaný takto. Zem sa na svojej obežnej dráhe pohybuje rýchlosťou asi 30 km/s.. Pohybuje sa vzduchom. To znamená, že rýchlosť svetla zo zdroja, ktorý je pred prijímačom vzhľadom na pohyb Zeme, musí byť väčšia ako zo zdroja, ktorý je na druhej strane. V prvom prípade treba k rýchlosti svetla pripočítať rýchlosť éterického vetra, v druhom prípade musí rýchlosť svetla o túto hodnotu klesnúť.