Реклама на портале

Высокая гравитация. Факты о гравитации

Мы живем на Земле, мы перемещаемся по ее поверхности, как по краю какого-то скалистого утеса, который возвышается над бездонной пропастью. Мы держимся на этом краю пропасти только благодаря тому, что на нас действует сила притяжения Земли ; мы не падаем с земной поверхности только потому, что имеем, как говорят, какую-то определенную весомость. Мы мгновенно слетели бы с этого «утеса» и стремительно полетели бы в бездну пространства, если бы вдруг перестала действовать сила тяжести нашей планеты. Мы бесконечно долго носились бы в бездне мирового пространства, не зная ни верха, ни низа.

Передвижение по Земле

Своим передвижением по Земле мы тоже обязаны наличию силы тяжести. Мы ходим по Земле и непрестанно преодолеваем сопротивление этой силы, ощущая ее действие, как некоторый тяжелый груз на своих ногах. Этот «груз» особенно дает себя знать при подъеме в гору, когда приходится волочить его, словно какие-то тяжелые гири, привешенные к ногам. Он не менее резко сказывается и при спуске с горы, вынуждая нас ускорять шаги. Преодоление силы тяжести при передвижении по Земле. Эти направления – «верх» и «низ» – указывает нам только сила тяжести. Во всех точках земной поверхности она направлена почти к центру Земли. Поэтому, понятия «низ» и «верх» будут диаметрально противоположными для так называемых антиподов, т. е. людей, обитающих на диаметрально противоположных частях поверхности Земли. Например, то направление, которое для живущих в Москве, показывает «низ», для жителей Огненной Земли показывает «верх». Направления, показывающие «низ» для людей, находящихся на полюсе и на экваторе, составляют прямой угол; они перпендикулярны между собой. Вне Земли, при удалении от нее, сила тяжести уменьшается, так как уменьшается сила притяжения (сила притяжения Земли, как и всякого другого мирового тела, распространяется в пространстве неограниченно далеко) и увеличивается центробежная сила, которая уменьшает силу тяжести. Следовательно, чем выше мы будем поднимать какой-нибудь груз, например, на воздушном шаре, тем меньше будет весить этот груз.

Центробежная сила Земли

Вследствие суточного вращения возникает центробежная сила Земли . Эта сила всюду на поверхности Земли действует в направлении, перпендикулярном к земной оси и в сторону от нее. Центробежная сила невелика по сравнению с силой притяжения . На экваторе она достигает наибольшей величины. Но и здесь, согласно вычислениям Ньютона, центробежная сила составляет только 1/289 долю силы притяжения. Чем дальше к северу от экватора, тем меньше центробежная сила. На самом полюсе она равна нулю .
Действие центробежной силы Земли. На некоторой высоте центробежная сила возрастет настолько, что она будет равна силе притяжения, и сила тяжести сделается сначала равной нулю, а затем, с увеличением расстояния от Земли, примет отрицательное значение и будет непрерывно возрастать, будучи направлена в противоположную сторону по отношению к Земле.

Сила тяжести

Равнодействующая силы притяжения Земли и центробежной силы называется силой тяжести . Сила тяжести во всех точках земной поверхности была бы одинакова, если бы наша совершенно точного и правильного шара, если бы ее масса всюду была одинаковой плотности и, наконец, если не было бы суточного вращения вокруг оси. Но, так как наша Земля не является правильным шаром, не состоит во всех своих частях из пород одинаковой плотности и все время вращается, то, следовательно, сила тяжести в каждой точке земной поверхности несколько различна . Стало быть, в каждой точке земной поверхности величина силы тяжести зависит от величины центробежной силы, уменьшающей силу притяжения, от плотности земных пород и расстояния от центра Земли . Чем больше это расстояние, тем меньше сила тяжести. Радиусы Земли, которые одним своим концом как бы упираются в земной экватор, – самые большие. Радиусы, имеющие своим концом точку Северного или Южного полюса, – наименьшие. Поэтому все тела на экваторе имеют меньшую тяжесть (меньший вес), чем на полюсе. Известно, что на полюсе сила тяжести больше, чем на экваторе, на 1/289 долю . Эту разность тяжести одних и тех же тел на экваторе и на полюсе можно узнать при их взвешивании с помощью пружинных весов. Если же мы будем взвешивать тела на весах с гирями, то этой разности мы не заметим. Весы будут показывать один и тот же вес, как на полюсе, так и на экваторе; гири, как и тела, которые взвешиваются, тоже, конечно, изменятся в весе.
Пружинные весы как способ измерения силы тяжести на экваторе и на полюсе. Допустим, что корабль с грузом весит в заполярных областях, вблизи полюса, около 289 тысяч тонн. По приходе в порты вблизи экватора корабль с грузом будет весить уже только около 288 тысяч тонн. Таким образом, на экваторе корабль потерял в весе около тысячи тонн. Все тела держатся на земной поверхности только благодаря тому, что на них действует сила тяжести. Утром, вставая с кровати, вы в состоянии спустить ноги на пол только потому, что эта сила тянет их вниз.

Сила тяжести внутри Земли

Посмотрим, как изменяется сила тяжести внутри Земли . С углублением внутрь Земли сила тяжести непрерывно увеличивается вплоть до некоторой глубины. На глубине около тысячи километров сила тяжести будет иметь максимальное (наибольшее) значение и увеличится по сравнению с ее средней величиной на земной поверхности (9,81 м/сек) приблизительно на пять процентов. При дальнейшем углублении сила тяжести станет непрерывно уменьшаться и в центре Земли будет равна нулю.

Предположения относительно вращения Земли

Наша Земля вращаясь делает полный оборот вокруг своей оси в 24 часа. Центробежная сила, как известно, возрастает пропорционально квадрату угловой скорости. Следовательно, если Земля ускорит свое вращение вокруг оси в 17 раз, то центробежная сила увеличится в 17 раз в квадрате, т. е. в 289 раз. В обычных условиях, как уже сказано выше, центробежная сила на экваторе составляет 1/289 долю силы притяжения. При увеличении в 17 раз сила притяжения и центробежная сила делаются равными. Сила тяжести – равнодействующая этих двух сил – при подобном увеличении скорости осевого вращения Земли будет равна нулю.
Значение центробежной силы при вращении Земли. Эта скорость вращения Земли вокруг оси называется критической, так как при такой скорости вращения нашей планеты все тела на экваторе потеряли бы свою тяжесть. Продолжительность суток в этом критическом случае будет составлять приблизительно 1 час 25 минут. При дальнейшем ускорении вращения Земли все тела (прежде всего на экваторе) сначала потеряют свою весомость, а затем будут отброшены центробежной силой в пространство, а сама Земля этой же силой будет разорвана на части. Заключение наше было бы правильным, если бы Земля представляла собой абсолютно твердое тело и при ускорении своего вращательного движения не изменила бы своей формы, другими словами, если бы радиус земного экватора сохранил свою величину. Но известно, что при ускорении вращения Земли поверхность ее должна будет претерпеть некоторую деформацию: она станет сжиматься в направлении полюсов и расширяться в направлении экватора; она будет принимать все более и более приплюснутый вид. Длина радиуса земного экватора при этом начнет возрастать и этим увеличивать центробежную силу. Таким образом, тела на экваторе потеряют свою тяжесть раньше, чем скорость вращения Земли увеличится в 17 раз, и катастрофа с Землей наступит раньше, чем сутки сократят свою продолжительность до 1 часа 25 минут. Иначе говоря, критическая скорость вращения Земли будет несколько меньше, а предельная длина суток несколько больше. Представьте себе мысленно, что скорость вращения Земли вследствие каких-то неизвестных причин приблизится к критической. Что тогда станет с земными обитателями? Прежде всего, всюду на Земле сутки будут составлять, например, около двух-трех часов. День и ночь будут сменяться калейдоскопически быстро. Солнце, как в планетарии, очень быстро будет перемещаться по небу, и едва вы успеете проснуться и умыться, как оно уже скроется за горизонтом, и на смену ему наступит ночь. Люди перестанут точно ориентироваться во времени. Никто не будет знать, которое сейчас число месяца и какой день недели. Нормальная человеческая жизнь будет дезорганизована. Маятниковые часы замедлят свой ход, а затем всюду остановятся. Они ведь ходят потому, что на них действует сила тяжести. Ведь и в нашем быту, когда «ходики» начинают отставать или спешить, то необходимо укорачивать или удлинять их маятник, а то еще и подвешивать к маятнику какой-нибудь дополнительный груз. Тела на экваторе будут терять свою весомость. В этих воображаемых условиях легко можно будет поднимать очень тяжелые тела. Не составит особого труда взвалить на плечи лошадь, слона или поднять даже целый дом. Птицы потеряют возможность приземляться. Вот кружится над корытом с водой стая воробьев. Они громко чирикают, но не в состоянии спуститься. Брошенная им горсть зерна повисла бы над Землей отдельными зернинками. Пусть, далее, скорость вращения Земли все более и более приближается к критической. Наша планета сильно деформируется и принимает все более приплюснутый вид. Она уподобляется быстро вращающейся карусели и грозит вот-вот сбросить с себя своих обитателей. Реки тогда перестанут течь. Они будут представлять собой длинные стоячие болота. Громадные океанские корабли будут еле касаться своими днищами водной глади, подводные лодки не в состоянии будут погрузиться в глубины моря, рыбы и морские животные будут плавать по поверхности морей и океанов, они уже не смогут скрыться в морской пучине. Моряки уже не смогут бросить якорь, они перестанут владеть рулями своих судов, большие и малые корабли будут стоять неподвижно. Вот еще одна воображаемая картина. Пассажирский железнодорожный поезд стоит у вокзала. Свисток уже дан; поезд должен отойти. Машинист принял все зависящие от него меры. Кочегар щедро бросает в топку уголь. Крупные искры летят из трубы паровоза. Колеса отчаянно вертятся. Но паровоз стоит неподвижно. Его колеса не касаются рельс, и нет трения между ними. Настанет момент, когда люди не будут иметь возможности спуститься на пол; они прилипнут, как мухи, к потолку. Пусть скорость вращения Земли все увеличивается. Центробежная сила все более превосходит по своей величине силу притяжения... Тогда люди, животные, предметы домашнего обихода, дома, все находящиеся на Земле предметы, весь животный ее мир будут отброшены в мировое пространство. От Земли отделится Австралийский материк и колоссальной черной тучей повиснет в пространстве. В глубь безмолвной бездны, прочь от Земли, полетит Африка. В громадное количество сферических капель превратятся воды Индийского океана и тоже полетят в беспредельные дали. Средиземное море, не успев еще превратиться в гигантские скопления капель, всей своей толщей воды отделится от днища, по которому свободно можно будет пройти от Неаполя до Алжира. Наконец, скорость вращения настолько увеличится, центробежная сила настолько возрастет, что вся Земля разорвется на части. Однако и этого случиться не может. Скорость вращения Земли, как мы уже говорили выше, не возрастает, а наоборот, даже немного убывает, – правда, настолько мало, что, как мы уже знаем, за 50 тысяч лет продолжительность суток увеличивается всего только на одну секунду. Иначе говоря, Земля теперь вращается с такой скоростью, которая необходима, чтобы под теплотворными, живительными лучами Солнца многие тысячелетия процветал животный и растительный мир нашей планеты.

Значение трения

Посмотрим теперь, какое значение имеет трение и что было бы, если бы оно отсутствовало. Трение, как известно, вредно отражается на нашей одежде: у пальто раньше всего изнашиваются рукава, а у ботинок подошвы, так как рукава и подошвы больше всего подвержены действию трения. Но вообразите себе на минуту, что поверхность нашей планеты была как бы хорошо отполированная, совершенно гладкая, и возможность трения была бы исключена. Могли ли бы мы ходить по такой поверхности? Конечно, нет. Всем известно, что даже по льду и по натертому полу идти очень трудно и приходится остерегаться, чтобы не упасть. А ведь поверхность льда и натертого пола все же обладает некоторым трением.
Сила трения на льду. Если бы на поверхности Земли исчезла сила трения, то на нашей планете вечно царил бы неописуемый хаос. Если не будет никакого трения, то будет вечно бушевать море и никогда не утихнет буря. Песчаные смерчи не перестанут висеть над Землей, и постоянно будет дуть ветер. Мелодичные звуки рояля, скрипки и страшный рев хищных зверей смешаются и без конца будут распространяться в воздухе. При отсутствии трения тело, пришедшее в движение, никогда бы не остановилось. По абсолютно гладкой земной поверхности вечно перемешались бы в самых разнообразных направлениях различные тела и предметы. Смешон и трагичен был бы мир Земли, если бы не существовало трения и притяжения Земли.

Гравитация – это, казалось бы, простое понятие, известное каждому человеку еще со времен школьной скамьи. Все мы помним историю о том, как на голову Ньютона упало яблоко, и он открыл закон всемирного тяготения. Однако все не так просто, как кажется. В той статье мы попытаемся дать ясный и исчерпывающий ответ на вопрос: что такое гравитация? А также рассмотрим главные мифы и заблуждения об этом интересном явлении.

Говоря простыми словами, гравитация — это притяжение между двумя любыми объектами во вселенной. Гравитацию можно определить, зная массу тел и расстояние от одного до другого. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше будет вес тела и выше его ускорение. Например, на Луне вес космонавта будет в шесть раз меньше, чем на Земле. Сила гравитационного поля зависит от размеров объекта, который оно окружает. Так, лунная сила притяжения в шесть раз ниже земной. Впервые обосновал это научно и доказал с помощью математических вычислений ещё в XVII веке Исаак Ньютон.

Что упало на голову Ньютону

Несмотря на то, что сам великий английский ученый частично подтверждал известную всем легенду о яблоке и ушибе головы, всё же, сейчас можно сказать с уверенностью, что при открытии закона всемирного тяготения обошлось без травм и озарений. Основой, заложившей новую эру в естественных науках, стал труд «Математические начала натуральной философии». В нем Ньютон описывает закон тяготения и важные законы механики, открытые им за долгие годы напряженной работы. Знаменитый физик был натурой неторопливой и рассудительной, как и положено гениальному ученому. А поэтому от начала раздумий о природе тяготения до издания научной работы о ней прошло больше 20 лет. Впрочем, легенда об упавшем фрукте могла иметь под собой и какие-то реальные основания, вот только голова физика однозначно осталась цела.

Законы притяжения изучались и до Исаака Ньютона самыми различными научными деятелями. Но только он впервые математически доказал прямую взаимосвязь между тяготением и движением планет. То есть падающим с ветки яблоком и вращением луны вокруг земли управляет одна и та же сила – гравитация. И она действует на любые два тела во вселенной. Эти открытия заложили основу так называемой небесной механики, а также науки о динамике. Ньютоновская модель господствовала в науке более двух веков вплоть до появления теории относительности и квантовой механики.

Что думают о гравитации современные ученые

Гравитация является самым слабым из четырех известных на данный момент фундаментальных взаимодействий, которым подчиняются все частицы и составленные из них тела. Помимо гравитационного взаимодействия сюда же входят электромагнитное, сильно и слабое. Исследуются они на основании разных теорий, так, например, в приближенных скоростях небольшой гравитации применяют теорию тяготения еще самого Ньютона. А в общем случае используют общую теорию относительности Эйнштейна. Кроме того, описание гравитации в квантовом пределе должно будет осуществляться при помощи еще не появившейся квантовой теории.

Безусловно, сегодня физика сложна и выходит далеко за рамки представлений об окружающем мире обычного человека. Но интересоваться ей необходимо хотя бы на уровне основных понятий, ведь вполне возможно, что уже в ближайшее время мы можем стать свидетелями удивительных открытий в этой области, которые кардинально изменят жизнь человечества. Будет неловко, если вы вообще не поймете, что происходит.

Мифы о гравитации

Не только незнание, но и постоянные новые открытия в данной научной сфере порождают различные несуразицы и мифы о гравитации. Итак, несколько общепринятых заблуждений об этом уникальном явлении:

  • Искусственные спутники никогда не сойдут с орбиты Земли и будут вечно вращаться вокруг неё . Это неправда. Дело в том, что помимо земного притяжения в космосе имеются и другие различные факторы, влияющие на орбиту тел. Это и торможение атмосферы для низких орбит и гравитационные поля Луны и других планет. Скорее всего, если дать спутнику вращаться без контроля на долгое время, его орбита будет изменяться, и в конечном счете он либо улетит в космические просторы, либо упадет на поверхность ближайшего тела.
  • В космосе отсутствует гравитация. Даже на станциях, на которых космонавты пребывают в невесомости есть довольно сильная гравитация, чуть меньше, чем на Земле. Почему же тогда они не падают? Можно сказать, что сотрудники станции как бы находятся в состоянии постоянного падения, но никак упадут.
  • Объект, приблизившийся к чёрной дыре, будет разорван. Довольно известный миф. Сила притяжение черной дыры действительно увеличится при приближении к ней, но совсем не обязательно, что приливные силы окажутся настолько мощными. Скорее всего они на горизонте событий обладают конечным значением, поскольку расстояние считается от центра дыры.

Когда речь заходит о гравитации, мы невольно возвращаемся к воспоминаниям о начальной школе, где впервые узнали об этой необычной силе. Нам рассказывали, что именно она удерживает нас на Земле, но это не единственная её функция.

Сегодня мы собрали 10 интересных фактов о силе притяжения.

Интересно, что гравитация - это всего лишь теория, не закон

Этот зонд исследует Вселенную с 1977 года

Гравитация не имеет ничего общего с научными законами. Если ввести в любой поисковик слово «гравитация», то вы увидите бесчисленное количество статей о законе гравитации. На самом деле понятия «закон» и «теория» в научном мире имеют существенные различия. Закон основывается на определённых данных результатов фактических исследований. Теория - это некая идея, которая объясняет существование того или иного явления. Разобравшись в этих понятиях, становится понятно, почему гравитацию нельзя назвать законом. На данный момент учёные не могут измерить её воздействие на каждое небесное тело. Вояджер-1 (автоматический зонд, исследующий Солнечную систему и её окрестности) исследовал Солнечную систему на расстоянии примерно 21 млрд км от Земли и даже ненадолго вышел за её пределы. Вояджер-1 находится «в командировке» уже 40 лет, но Вселенная слишком огромна, чтобы исследовать её досконально.

В теории гравитации есть пробелы - и это факт!

Любая теория несовершенна, теория гравитации не исключение

Теория гравитации несовершенна, но некоторые из её пробелов с Земли незаметны. Например, согласно теории, сила гравитации Солнца должна быть сильнее на Луне, чем на Земле, но тогда бы Луна вращалась вокруг Солнца, а не вокруг Земли. Понаблюдав за движением Луны на ночном небе, мы можем совершенно точно определить, что она вращается вокруг Земли. В школе нам также рассказывали об Исааке Ньютоне, который обнаружил пробелы в теории гравитации. Он также ввёл новый математический термин «флюксия», из которого позже развил теорию гравитации. Понятие «флюксия» может показаться незнакомым, сегодня её называют «функция». Так или иначе, все мы изучаем функции в школе, но и они не без изъянов. Поэтому вполне вероятно, что в ньютоновских «доказательствах» теории гравитации тоже не всё так гладко.

Волны тяготения

Более полувека учёные искали подтверждение существования гравитационных волн

Теория относительности Альберта Энштейна, также известная как теория гравитации, была представлена в 1915 году. Примерно в то же время появилось понятие волн тяготения, существование которых было доказано только в 1974 году. Волны тяготения - это вибрации в пространственно-временном континууме, возникающие в результате движения масс во Вселенной из-за столкновения чёрных дыр, вращения нейтронных звёзд или возникновения сверхновых. Когда происходит какое-либо из этих событий, гравитационные волны образуют рябь, похожую на круги на воде от камня, брошенного на поверхность воды. Эти волны перемещаются по Вселенной со скоростью света, именно поэтому доказательство существования гравитационных волн потребовало почти 60 лет. В течение первых 40 лет учёные наблюдали за волнами, возникшими от двух звёзд, которые начали вращаться вокруг друг друга под действием силы притяжения. Со временем звёзды становились ближе и ближе друг к другу в соответствии с просчётами по теории Эйнштейна. Это и стало доказательством существования гравитационных волн.

Чёрные дыры и гравитация

Чёрные дыры не могли бы существовать без гравитации

Чёрные дыры - одно из самых загадочных явлений во Вселенной. Они образуются, когда звезда саморазрушается и рождается новая, которая отбрасывает части старой на довольно большое расстояние, таким образом создаётся место, где гравитация настолько сильна, что ни один объект, попавший в неё, не может выйти обратно. Гравитация сама по себе не формирует чёрную дыру, но помогает учёным понять суть чёрных дыр и обнаружить их во Вселенной. Так как сила притяжения вокруг чёрной дыры очень сильная, вокруг неё собирается множество звёзд и газов, что помогает обнаружить чёрную дыру. Иногда газы вокруг чёрной дыры светятся, образуя ореол. Если бы не супермощная гравитация в чёрных дырах, мы никогда бы не узнали об их существовании.

Теория тёмной материи и тёмной энергии

Учёные считают, что Вселенная состоит из тёмной материи и расширяется благодаря тёмной энергии

Примерно 68% Вселенной состоит из тёмной энергии, а 27% из тёмной материи. Но ни тёмная энергия, ни материя не изучены глубоко. Тем не менее, нам известно, что тёмная энергия обладает множеством свойств. Эйнштейновская теория относительности сыграла важную роль в понимании тёмной энергии и её способности расширяться и создавать большее пространство. Первоначально учёные предполагали, что гравитация сдерживает расширение Вселенной, но в 1998 году при помощи космического телескопа «Хаббл» удалось установить, что Вселенная расширяется сильнее и сильнее. Благодаря этому факту стало понятно, что теория относительности не может объяснить того, что происходит во Вселенной. Учёные выдвинули предположение о существовании тёмной материи и тёмной энергии, благодаря которой Вселенная продолжает расти.

Гравитоны

Учёные предполагают, что существует единица гравитации

Всё, чему нас учат в школе, что гравитация - это сила притяжения, но так ли это? Если представить саму гравитацию как частицу и назвать её гравитон (или квант гравитационного поля), то получится, что силу притяжения формируют гравитоны. Правда физики не смогли подтвердить существование этих частиц, но зато есть много оснований, почему они должны существовать. Первая причина в том, что гравитация всего лишь сила (одна из четырёх основных природных сил), и основной её элемент не может быть определён. Даже если гравитоны и существуют, определить их очень трудно. Физики чисто теоретически предполагают, что гравитационные волны состоят из гравитонов. Гравитационные волны обнаружить достаточно просто, достаточно создать отражение лучей света в зеркалах и увидеть их расщепление. Но такой метод не подойдёт для определения изменения дистанции между гравитонами.

Образование кротовых нор

При помощи кротовых нор путешествия в соседние галактики могли бы стать реальностью

Кротовые норы (пространственно-временные туннели в гипотетической модели Вселенной) поистине удивительное явление. А что если было бы возможно пронестись по космическому тоннелю со скоростью света и оказаться в другой галактике? Если кротовые норы существуют, то это вполне возможно. На сегодняшний день подтверждения существования таких тоннелей нет, но физики всерьёз подумывают над их созданием. При помощи теории относительности Эйнштейна физик Людвиг Фламм описал, насколько гравитация способна исказить время и пространство, чтобы создание кротовой норы стало возможным. Разумеется, это не единственная теория возникновения таких тоннелей.

Планеты тоже притягивают Солнце

У планет тоже есть сила притяжения

Всем известно, что сила притяжения Солнца воздействует на планеты нашей солнечной системы, именно поэтому они и вращаются вокруг него. Точно так же Земля притягивает Луну. Тем не менее, каждое небесное тело, у которого есть масса, тоже воздействует на Солнце силой притяжения, мощность которой зависит от массы объектов и расстояния между ними. А так как у Солнца самая сильная гравитация в нашей Галактике, то все планеты вращаются вокруг него.

Невесомость

Оказывается, в космосе тоже работает сила притяжения

Мы все видели фото и слышали истории о том, что в космосе нет гравитации, поэтому космонавты могут летать в невесомости. Тем не менее, гравитация в космосе всё же есть, но она настолько мала, что её даже называют микрогравитацией. Именно благодаря ей кажется, что астронавты парят в воздухе. Если бы в космосе совсем не было гравитации, то планеты не могли бы вращаться вокруг Солнца, а Луна вокруг Земли, просто чем больше расстояние, тем больше ослабевает сила притяжения.

Путешествия во времени

В космосе время идет не так, как на Земле

Возможность путешествовать во времени всегда сильно волновала человечество. Множество теорий, в том числе и теория гравитации, могут объяснить возможность перемещений во времени. Сила притяжения создаёт искривление во времени и пространстве, которое заставляет объекты двигаться по спирали, в результате чего эти объекты начинают двигаться быстрее, чем на поверхности Земли. Например, часы на космических искусственных спутниках сдвигаются всего на 38 микросекунд в день, потому что сила притяжения в космосе заставляет объекты двигаться быстрее, чем на Земле. По этой причине любого астронавта, вернувшегося с орбиты, можно считать путешественником во времени, просто эффект не настолько сильный, чтобы они могли его ощутить. Главным вопросом остаётся возможность путешествий во времени, которые мы видели в кино, но на него пока нет ответов.

Посмотрите сегодня на ночное небо, на этот бескрайний и так малоизученный человеком мир. Наша Вселенная огромна, и кто знает, какие ещё тайны она таит в себе. Поживём увидим.

Оби-Ван Кеноби сказал, что сила скрепляет галактику. То же самое можно сказать и о гравитации. Факт – гравитация позволяет нам ходить по Земле, Земле вращаться вокруг Солнца, а Солнцу двигаться вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Как понять гравитацию? Об этом - в нашей статье.

Сразу скажем, что вы не найдете здесь однозначно верного ответа на вопрос «Что такое гравитация». Потому что его просто нет! Гравитация – одно из самых таинственных явлений, над которым ученые ломают голову и до сих пор полностью не могут объяснить его природу.

Есть множество гипотез и мнений. Насчитывается более десятка теорий гравитации, альтернативных и классических. Мы рассмотрим самые интересные, актуальные и современные.

Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм .

Гравитация – физическое фундаментальное взаимодействие

Всего в физике 4 фундаментальных взаимодействия. Благодаря им мир является именно таким, какой он есть. Гравитация – одно из этих взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия:

  • гравитация;
  • электромагнетизм;
  • сильное взаимодействие;
  • слабое взаимодействие.
Гравитация – самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий.

На текущий момент действующей теорией, описывающей гравитацию, является ОТО (общая теория относительности). Она была предложена Альбертом Эйнштейном в 1915-1916 годах.

Однако мы знаем, что об истине в последней инстанции говорить рано. Ведь несколько веков до появления ОТО в физике для описания гравитации главенствовала Ньютоновская теория, которая была существенно расширена.

В рамках ОТО на данный момент нельзя объяснить и описать все вопросы, связанные с гравитацией.

До Ньютона было широко распространено мнение, что гравитация на земле и небесная гравитация – разные вещи. Считалось, что планеты движутся по своим, отличным от земных, идеальным законам.

Ньютон открыл закон всемирного тяготения в 1667 году. Конечно, этот закон существовал еще при динозаврах и намного раньше.

Античные философы задумывались над существованием силы тяготения. Галилей экспериментально рассчитал ускорение свободного падения на Земле, открыв, что оно одинаково для тел любой массы. Кеплер изучал законы движения небесных тел.

Ньютону удалось сформулировать и обобщить результаты наблюдений. Вот что у него получилось:

Два тела притягиваются друг к другу с силой, называемой гравитационной силой или силой тяготения.

Формула силы притяжения между телами:

G – гравитационная постоянная, m – массы тел, r – расстояние между центрами масс тел.

Каков физический смысл гравитационной постоянной? Она равна силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 килограмм каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга.


По теории Ньютона, каждый объект создает гравитационное поле. Точность закона Ньютона была проверена на расстояниях менее одного сантиметра. Конечно, для малых масс эти силы незначительны, и ими можно пренебречь.

Формула Ньютона применима как для расчету силы притяжения планет к солнцу, так и для маленьких объектов. Мы просто не замечаем, с какой силой притягиваются, скажем, шары на бильярдном столе. Тем не менее эта сила есть и ее можно рассчитать.

Сила притяжения действует между любыми телами во Вселенной. Ее действие распространяется на любые расстояния.

Закон всемирного тяготения Ньютона не объясняет природы силы притяжения, но устанавливает количественные закономерности. Теория Ньютона не противоречит ОТО. Ее вполне достаточно для решения практических задач в масштабах Земли и для расчета движения небесных тел.

Гравитация в ОТО

Несмотря на то, что теория Ньютона вполне применима на практике, она имеет ряд недостатков. Закон всемирного тяготения является математическим описанием, но не дает представления о фундаментальной физической природе вещей.

Согласно Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях. Причем действует мгновенно. Учитывая, что самая большая скорость в мире – скорость света, выходит несоответствие. Как гравитация может мгновенно действовать на любые расстояниях, когда для их преодоления свету нужно не мгновение, а несколько секунд или даже лет?

В рамках ОТО гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы. Таким образом гравитация – не силовое взаимодействие.


Каково действие гравитации? Попробуем описать его с использованием аналогии.

Представим пространство в виде упругого листа. Если положить на него легкий теннисный мячик, поверхность останется ровной. Но если рядом с мячиком положить тяжелую гирю, она продавит на поверхности ямку, и мячик начнет скатываться к большой и тяжелой гире. Это и есть «гравитация».

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Открытие гравитационных волн

Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, но открыли их только через сто лет, в 2015.

Что такое гравитационные волны? Снова проведем аналогию. Если бросить камень в спокойную воду, от места его падения по поверхности воды пойдут круги. Гравитационные волны – такая же рябь, возмущение. Только не на воде, а в мировом пространстве-времени.

Вместо воды – пространство-время, а вместо камня, скажем, черная дыра. Любое ускоренное передвижение массы порождает гравитационную волну. Если тела находятся в состоянии свободного падения, при прохождении гравитационной волны расстояние между ними изменится.


Так как гравитация – очень слабое взаимодействие, обнаружение гравитационных волн было связано с большими техническими трудностями. Современные технологии позволили обнаружить всплеск гравитационных волн только от сверхмассивных источников.

Подходящее событие для регистрации гравитационной волны - слияние черных дыр. К сожалению или к счастью, это происходит достаточно редко. Тем не менее ученым удалось зарегистрировать волну, которая буквально раскатилась по пространству Вселенной.

Для регистрации гравитационных волн был построен детектор диаметром 4 километра. При прохождении волны регистрировались колебания зеркал на подвесах в вакууме и интерференция света, отраженного от них.

Гравитационные волны подтвердили справедливость ОТО.

Гравитация и элементарные частицы

В стандартной модели за каждое взаимодействие отвечают определенные элементарные частицы. Можно сказать, что частицы являются переносчиками взаимодействий.

За гравитацию отвечает гравитон – гипотетическая безмассовая частица, обладающая энергией. Кстати, в нашем отдельном материале читайте подробнее о наделавшем много шума бозоне Хиггса и других элементарных частицах.

Напоследок приведем несколько любопытных фактов о гравитации.

10 фактов о гравитации

  1. Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы тело (например, космический зонд) двигалось по орбите вокруг планеты.
  2. Чтобы вырваться из гравитационного поля Земли, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость.
  3. Объекты с наиболее сильной гравитацией – черные дыры. Их гравитация настолько велика, что они притягивают даже свет (фотоны).
  4. Ни в одном уравнении квантовой механики вы не найдете силы гравитации. Дело в том, что при попытке включения гравитации в уравнения, они теряют свою актуальность. Это одна из самых важных проблем современной физики.
  5. Слово гравитация происходит от латинского “gravis”, что означает “тяжелый”.
  6. Чем массивнее объект, тем сильнее гравитация. Если человек, который на Земле весит 60 килограмм, взвесится на Юпитере, весы покажут 142 килограмма.
  7. Ученые NASA пытаются разработать гравитационный луч, который позволит перемещать предметы бесконтактно, преодолевая силу притяжения.
  8. Астронавты на орбите также испытывают гравитацию. Точнее, микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.
  9. Гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает.
  10. Черная дыра, размером с теннисный мяч, притягивает объекты с той же силой, что и наша планета.

Теперь вы знаете определение гравитации и можете сказать, по какой формуле рассчитывается сила притяжения. Если гранит науки придавливает вас к земле сильнее, чем гравитация, обращайтесь в наш студенческий сервис . Мы поможем учиться легко при самых больших нагрузках!

Наука

Здесь, на Земле, мы воспринимаем гравитацию как должное. Однако, сила притяжения, с помощью которой объекты тянутся друг к другу пропорционально своей массе – это намного больше, чем упавшее яблоко на голову Ньютона. Ниже представлены самые странные факты об этой универсальной силе.

Все дело в нашей голове

Сила притяжения – это явление постоянное и последовательное, однако наше восприятие этой силы таковым не является. По данным исследования, опубликованного в апреле 2011 года в журнале PLoS ONE, человек в состоянии дать более точное суждение о падающих объектах при сидячем положении тела.

Исследователи пришли к выводу, что наше восприятие силы тяжести меньше основано на реальном визуальном направлении силы, а больше на "ориентации" тела.

Полученные результаты могут привести к созданию новой стратегии, которая помогла бы астронавтам справляться с микрогравитацией в космосе.


Жесткий спуск на землю

Опыт космонавтов показал, что переход от состояния невесомости и обратно может быть очень тяжелым для организма человека. В отсутствии силы тяжести, мышцы начинают атрофироваться, при этом кости тоже начинают терять костную массу. По данным НАСА, астронавты могут терять до 1 процента своей костной массы в месяц.

По возвращении на землю, организмам и умам астронавтов необходим некоторый период времени для того, чтобы восстановиться. Кровяное давление, которое в космосе во всем теле становится одинаковым, должно вернуться в нормальное русло функционирования, при котором хорошо работает сердце, и мозг получает достаточное количество пищи.

Иногда на астронавтов перестройка организма действует крайне тяжело, причем как в физическом плане (неоднократны падения в обморок и т.д.), так и в эмоциональном. К примеру, один астронавт рассказывал, как по возвращению из космоса разбил дома бутылочку с лосьоном после бритья, поскольку забыл, что отпустив ее в воздух, она упадет и разобьется, а не будет парить в нем.


Чтобы потерять вес, "попробуйте Плутон"

На этой карликовой планете, человек, весом 68 килограммов, будет весить не более 4,5 кг.

При этом, с другой стороны, на планете с самым высоким уровнем силы тяжести, Юпитере, тот же человек будет весить около 160,5 кг.

Человек наверняка также и на Марсе почувствует себя пушинкой, поскольку сила притяжения на этой планете составляет всего лишь 38 процентов от той, которая есть на земле, то есть 68-килограммовый человек будет чувствовать, насколько легка его походка, так как весить он будет всего лишь 26 кг.


Разная гравитация

Даже на земле гравитация не везде одинаковая. Из-за того, что форма земного шара – это не идеальная сфера, его масса распределяется неравномерно. Следовательно, неравномерная масса означает неравномерную силу тяжести.

Одна таинственная гравитационная аномалия наблюдается в Гудзоновом заливе в Канаде. В этом регионе сила притяжения ниже, чем в других, а исследование 2007 года выявило причину – таяние ледников.

Лед, который однажды уже покрыл эту область во времена последнего ледникового периода, уже давно растаял, но Земля полностью не избавилась от этого бремени. Так как сила тяжести области пропорциональна массе этого региона, а "ледниковый след" оттеснил некоторую часть массы земли, гравитация стала здесь слабее. Незначительная деформация коры объясняет 25-45 процентов необычайно низкой гравитационной силы, помимо прочего, в этом также "обвиняют" движение магмы в мантии Земли.


Без гравитации некоторые вирусы были бы сильнее

Плохие новости для космических кадетов: некоторые бактерии становятся невыносимыми в космосе.

При отсутствии силы тяжести, у бактерий изменяется, по меньшей мере, активность 167 генов и 73 белков.

Мыши, которые поели пищу с такими сальмонеллами, заболели намного быстрее.

Другими словами, опасность заражения не обязательно приходит из космоса, более вероятно, что наши собственные бактерии набираются сил для атаки.


Черные дыры в центре галактики

Названные таким образом потому что ничто, даже свет, не может избежать их притяжения, черные дыры являются одними из самых разрушительных объектов во Вселенной. В центре нашей галактики находится массивная черная дыра, массой в 3 миллиона солнц. Звучит устрашающе, не так ли? Однако, по данным специалистов Киотского университета, в настоящее время эта черная дыра "просто отдыхает".

На самом деле, черная дыра для нас, землян, не представляет опасности, поскольку она находится очень далеко и ведет себя крайне спокойно. Однако, в 2008 году сообщалось, что около 300 лет назад эта дыра отправляла вспышки энергии. В другом исследовании, опубликованном в 2007 году, выяснилось, что несколько тысяч лет назад "галактическая икота" отправила небольшое количество вещества, размером с Меркурий в эту самую дыру, что привело к мощному взрыву.

Данная черная дыра, названная Стрелец А*, имеет относительно размытые формы по сравнению с другими черными дырами. "Эта слабость означает, что звезды и газ редко приближаются к черной дыре на небезопасное расстояние", - говорит Фредерик Баганоф (Frederick Baganoff), научный сотрудник Массачусетского технологического института. "Огромный аппетит присутствует, но он не удовлетворяется".