แรงดึงดูดของโลกต่อมนุษย์คืออะไร แรงโน้มถ่วง - มันคืออะไร? แรงโน้มถ่วง

ปรากฏการณ์ที่สำคัญที่สุดที่นักฟิสิกส์ศึกษาอย่างต่อเนื่องคือการเคลื่อนไหว ปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า กฎกลศาสตร์ อุณหพลศาสตร์และกระบวนการควอนตัม ทั้งหมดนี้เป็นชิ้นส่วนของจักรวาลที่ศึกษาโดยฟิสิกส์ และกระบวนการทั้งหมดเหล่านี้ลงมา ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง สู่สิ่งหนึ่ง - เพื่อ

ติดต่อกับ

ทุกสิ่งในจักรวาลเคลื่อนไหว แรงโน้มถ่วงเป็นปรากฏการณ์ที่ทุกคนคุ้นเคยมาตั้งแต่เด็ก เราเกิดในสนามโน้มถ่วงของโลกนี้ ปรากฏการณ์ทางกายภาพถูกรับรู้โดยเราในระดับสัญชาตญาณที่ลึกที่สุดและดูเหมือนว่าไม่ต้องการการศึกษาด้วยซ้ำ

แต่อนิจจาคำถามคือทำไมและ ร่างกายทั้งหมดดึงดูดกันได้อย่างไร?ยังคงไม่เปิดเผยอย่างครบถ้วนถึงทุกวันนี้แม้ว่าจะมีการศึกษาขึ้นๆ ลงๆ ก็ตาม

ในบทความนี้ เราจะพิจารณาว่าแรงดึงดูดสากลของนิวตันคืออะไร - ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบคลาสสิก อย่างไรก็ตาม ก่อนที่จะพูดถึงสูตรและตัวอย่าง เรามาพูดถึงแก่นแท้ของปัญหาแรงดึงดูดและให้คำจำกัดความกันก่อน

บางทีการศึกษาแรงโน้มถ่วงอาจเป็นจุดเริ่มต้นของปรัชญาธรรมชาติ (วิทยาศาสตร์ของการทำความเข้าใจสาระสำคัญของสิ่งต่าง ๆ ) บางทีปรัชญาธรรมชาติอาจก่อให้เกิดคำถามเกี่ยวกับสาระสำคัญของแรงโน้มถ่วง แต่ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งคำถามเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงของร่างกาย สนใจกรีกโบราณ.

การเคลื่อนไหวเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นแก่นแท้ของลักษณะทางกามารมณ์ของร่างกายหรือค่อนข้างเคลื่อนไหวในขณะที่ผู้สังเกตเห็น หากเราไม่สามารถวัด ชั่งน้ำหนัก สัมผัสปรากฏการณ์ แสดงว่าปรากฏการณ์นี้ไม่มีอยู่จริงหรือไม่? โดยธรรมชาติแล้วมันไม่ได้ และเนื่องจากอริสโตเติลเข้าใจสิ่งนี้ การสะท้อนถึงแก่นแท้ของแรงโน้มถ่วงจึงเริ่มขึ้น

ตามที่ปรากฏในวันนี้ หลังจากผ่านไปหลายสิบศตวรรษ แรงโน้มถ่วงเป็นพื้นฐานไม่เพียง แต่แรงดึงดูดของโลกและแรงดึงดูดของโลกของเราเท่านั้น แต่ยังเป็นพื้นฐานของการกำเนิดของจักรวาลและอนุภาคมูลฐานเกือบทั้งหมดที่มีอยู่ด้วย

งานการเคลื่อนไหว

มาทำการทดลองทางความคิดกัน ใช้ลูกบอลขนาดเล็กในมือซ้ายของคุณ ลองเอาอันเดียวกันทางขวา ปล่อยลูกที่ถูกต้องและมันจะเริ่มล้มลง อันซ้ายยังคงอยู่ในมือ มันยังคงนิ่ง

ให้จิตหยุดกาลเวลา บอลขวาที่ตกลงมา "แฮงค์" ในอากาศ บอลซ้ายยังคงอยู่ในมือ บอลขวามี "พลังงาน" ของการเคลื่อนไหว แต่บอลซ้ายไม่ได้ แต่ความแตกต่างที่ลึกซึ้งและมีความหมายระหว่างพวกเขาคืออะไร?

ในส่วนไหนของลูกบอลที่ตกลงมาว่ามันจะต้องเคลื่อนที่? มีมวลเท่ากัน มีปริมาตรเท่ากัน มันมีอะตอมเหมือนกัน และพวกมันก็ไม่ต่างจากอะตอมของลูกบอลที่อยู่นิ่ง ลูกบอล มี? ใช่ นี่คือคำตอบที่ถูกต้อง แต่ลูกบอลรู้ได้อย่างไรว่ามีพลังงานศักย์อยู่ในนั้น?

นี่คือภารกิจที่กำหนดโดยอริสโตเติล นิวตัน และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และนักคิดที่เก่งทั้งสามคนก็ได้แก้ปัญหานี้บางส่วนด้วยตนเอง แต่วันนี้มีหลายประเด็นที่ต้องแก้ไข

แรงโน้มถ่วงของนิวตัน

ในปี ค.ศ. 1666 I. Newton นักฟิสิกส์และช่างกลชาวอังกฤษที่ยิ่งใหญ่ที่สุดได้ค้นพบกฎเกณฑ์หนึ่งที่สามารถคำนวณแรงในเชิงปริมาณได้ เนื่องจากสสารทั้งหมดในเอกภพมีแนวโน้มเข้าหากัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าแรงโน้มถ่วงสากล เมื่อถูกถาม : "บัญญัติกฎหมาย แรงโน้มถ่วง' คำตอบของคุณควรเป็น:

แรงของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงซึ่งก่อให้เกิดแรงดึงดูดของวัตถุทั้งสองคือ ในสัดส่วนโดยตรงกับมวลของร่างกายเหล่านี้และแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างกัน

สำคัญ!กฎแรงดึงดูดของนิวตันใช้คำว่า "ระยะทาง" คำนี้ไม่ควรเข้าใจว่าเป็นระยะห่างระหว่างพื้นผิวของร่างกาย แต่เป็นระยะห่างระหว่างจุดศูนย์ถ่วง ตัวอย่างเช่น หากลูกบอลสองลูกที่มีรัศมี r1 และ r2 วางทับกัน ระยะห่างระหว่างพื้นผิวจะเป็นศูนย์ แต่มีแรงดึงดูดอยู่ ประเด็นคือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลาง r1+r2 ไม่เป็นศูนย์ ในระดับจักรวาล การชี้แจงนี้ไม่สำคัญ แต่สำหรับดาวเทียมในวงโคจร ระยะทางนี้เท่ากับความสูงเหนือพื้นผิวบวกรัศมีของดาวเคราะห์ของเรา ระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์ยังวัดจากระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลาง ไม่ใช่พื้นผิว

สำหรับกฎแรงดึงดูด มีสูตรดังนี้

,

• F คือแรงดึงดูด
• - ฝูง
• r - ระยะทาง
• G คือค่าคงตัวโน้มถ่วง เท่ากับ 6.67 10-11 m³ / (kg s²)

น้ำหนักคืออะไรถ้าเราเพิ่งพิจารณาแรงดึงดูด?

แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ แต่ในกฎความโน้มถ่วงสากลมักเขียนเป็นสเกลาร์ ในรูปเวกเตอร์ กฎหมายจะมีลักษณะดังนี้:

.

แต่นี่ไม่ได้หมายความว่าแรงจะแปรผกผันกับลูกบาศก์ของระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลาง อัตราส่วนควรเข้าใจว่าเป็นเวกเตอร์หน่วยที่นำจากจุดศูนย์กลางหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง:

.

กฎของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง

น้ำหนักและแรงโน้มถ่วง

เมื่อพิจารณากฎแห่งแรงโน้มถ่วงแล้ว ก็เข้าใจได้ว่าไม่มีอะไรน่าประหลาดใจในข้อเท็จจริงที่ว่าเราเอง เรารู้สึกว่าแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์อ่อนกว่าโลกมาก. ดวงอาทิตย์มวลมหาศาลถึงแม้ว่าจะมีมวลมาก แต่ก็อยู่ไกลจากเรามาก อยู่ไกลจากดวงอาทิตย์เช่นกัน แต่ถูกดึงดูดเพราะมันมี มวลขนาดใหญ่. วิธีหาแรงดึงดูดของวัตถุทั้งสอง ได้แก่ วิธีการคำนวณแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ โลก และคุณและฉัน - เราจะจัดการกับปัญหานี้ในภายหลัง

เท่าที่เราทราบแรงโน้มถ่วงคือ:

โดยที่ m คือมวลของเรา และ g คือความเร่งในการตกอย่างอิสระของโลก (9.81 m/s 2)

สำคัญ!แรงดึงดูดไม่มีสอง สาม สิบชนิด แรงโน้มถ่วงเป็นแรงเดียวที่วัดปริมาณแรงดึงดูด น้ำหนัก (P = มก.) และแรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งเดียวกัน

ถ้า m คือมวลของเรา M คือมวลของโลก R คือรัศมีของมัน แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อเราคือ:

ดังนั้น เนื่องจาก F = mg:

.

มวล m ตัดกัน ปล่อยให้นิพจน์สำหรับการเร่งความเร็วตกอย่างอิสระ:

อย่างที่คุณเห็น ความเร่งของการตกอย่างอิสระนั้นเป็นค่าคงที่ เนื่องจากสูตรของมันมีค่าคงที่ นั่นคือ รัศมี มวลของโลก และค่าคงที่โน้มถ่วง แทนค่าคงที่เหล่านี้ เราจะตรวจสอบให้แน่ใจว่าความเร่งของการตกอย่างอิสระเท่ากับ 9.81 m / s 2

ที่ละติจูดที่ต่างกัน รัศมีของดาวเคราะห์จะแตกต่างกันบ้าง เนื่องจากโลกยังไม่เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ ด้วยเหตุนี้ ความเร่งของการตกอย่างอิสระ ณ จุดต่างๆ บนโลกจึงแตกต่างกัน

กลับมาที่สถานที่ท่องเที่ยวของโลกและดวงอาทิตย์กัน ลองพิสูจน์ด้วยตัวอย่างว่าโลกดึงดูดเราแรงกว่าดวงอาทิตย์

เพื่อความสะดวกลองเอามวลของบุคคล: m = 100 กก. แล้ว:

• ระยะห่างระหว่างคนกับ โลกเท่ากับรัศมีของดาวเคราะห์: R = 6.4∙10 6 ม.
• มวลของโลกคือ: M ≈ 6∙10 24 กก.
• มวลของดวงอาทิตย์คือ: Mc ≈ 2∙10 30 กก.
• ระยะห่างระหว่างโลกของเรากับดวงอาทิตย์ (ระหว่างดวงอาทิตย์กับมนุษย์): r=15∙10 10 ม.

แรงดึงดูดระหว่างมนุษย์กับโลก:

ผลลัพธ์นี้ค่อนข้างชัดเจนจากนิพจน์ที่ง่ายกว่าสำหรับน้ำหนัก (P = มก.)

แรงดึงดูดระหว่างมนุษย์กับดวงอาทิตย์:

อย่างที่คุณเห็น โลกของเราดึงดูดเราให้แข็งแกร่งขึ้นเกือบ 2,000 เท่า

จะหาแรงดึงดูดระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ได้อย่างไร? ด้วยวิธีต่อไปนี้:

ตอนนี้เราเห็นว่าดวงอาทิตย์ดึงดาวเคราะห์ของเราออกมาแรงกว่าพันล้านเท่าของโลกดึงคุณและฉัน

ความเร็วจักรวาลแรก

หลังจากที่ไอแซก นิวตัน ค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล เขาก็เริ่มสนใจว่าร่างกายควรจะถูกโยนออกไปเร็วแค่ไหน เพื่อที่เมื่อเอาชนะสนามโน้มถ่วงได้ ก็จะจากโลกไปตลอดกาล

จริงอยู่ เขาจินตนาการว่ามันต่างไปเล็กน้อย โดยในความเข้าใจของเขา มันไม่ใช่จรวดแนวตั้งพุ่งขึ้นไปบนท้องฟ้า แต่เป็นร่างกายที่กระโดดจากยอดเขาในแนวนอน มันเป็นภาพประกอบเชิงตรรกะตั้งแต่ ที่ด้านบนของภูเขาแรงโน้มถ่วงจะน้อยกว่าเล็กน้อย.

ดังนั้นที่ด้านบนสุดของ Everest ความเร่งของแรงโน้มถ่วงจะไม่เป็น 9.8 m / s 2 ตามปกติ แต่เกือบ m / s 2 ด้วยเหตุผลนี้เองที่อนุภาคในอากาศไม่ยึดติดกับแรงโน้มถ่วงเท่ากับอนุภาคที่ "ตกลง" กับพื้นผิวอีกต่อไป

ลองหาว่าความเร็วของจักรวาลคืออะไร

ความเร็วจักรวาลที่ 1 v1 คือความเร็วที่ร่างกายออกจากพื้นผิวโลก (หรือดาวเคราะห์ดวงอื่น) และเข้าสู่วงโคจรเป็นวงกลม

ลองหาค่าตัวเลขของปริมาณนี้สำหรับโลกของเรากัน

ลองเขียนกฎข้อที่สองของนิวตันสำหรับวัตถุที่โคจรรอบโลกกันเป็นวงกลม:

,

โดยที่ h คือความสูงของร่างกายเหนือพื้นผิว R คือรัศมีของโลก

ในวงโคจรความเร่งแบบแรงเหวี่ยงกระทำต่อร่างกายดังนี้:

.

มวลลดลงเราได้รับ:

,

ความเร็วนี้เรียกว่าความเร็วจักรวาลแรก:

อย่างที่คุณเห็น ความเร็วของอวกาศไม่ขึ้นกับมวลของร่างกายโดยสิ้นเชิง ดังนั้นวัตถุใด ๆ ที่เร่งด้วยความเร็ว 7.9 กม. / วินาทีจะออกจากโลกของเราและเข้าสู่วงโคจรของมัน

ความเร็วจักรวาลแรก

ความเร็วของอวกาศที่สอง

อย่างไรก็ตาม แม้จะเร่งร่างกายให้ถึงความเร็วจักรวาลแรกแล้ว เราก็ไม่สามารถทำลายการเชื่อมต่อแรงโน้มถ่วงกับโลกได้อย่างสมบูรณ์ สำหรับสิ่งนี้ จำเป็นต้องใช้ความเร็วจักรวาลที่สอง เมื่อถึงความเร็วนี้ร่างกาย ออกจากสนามโน้มถ่วงของโลกและวงโคจรปิดที่เป็นไปได้ทั้งหมด

สำคัญ!โดยไม่ได้ตั้งใจ มักเชื่อกันว่าการจะไปถึงดวงจันทร์ นักบินอวกาศต้องไปถึงความเร็วจักรวาลที่สอง เพราะพวกเขาต้อง "ตัดการเชื่อมต่อ" ออกจากสนามโน้มถ่วงของโลกก่อน ไม่เป็นเช่นนั้น คู่ Earth-Moon อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลก จุดศูนย์ถ่วงร่วมของพวกเขาอยู่ภายในโลก

เพื่อหาความเร็วนี้ เราตั้งค่าปัญหาให้แตกต่างออกไปเล็กน้อย สมมติว่าร่างกายบินจากอนันต์ไปยังดาวเคราะห์ คำถาม: ความเร็วเท่าไหร่ที่จะทำได้บนพื้นผิวเมื่อลงจอด (แน่นอนว่าไม่คำนึงถึงบรรยากาศ)? เป็นความเร็วนี้และ จะพาร่างกายไปจากโลก

กฎความโน้มถ่วงสากล ฟิสิกส์เกรด 9

กฎความโน้มถ่วงสากล

บทสรุป

เราได้เรียนรู้ว่าแม้ว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงหลักในจักรวาล เหตุผลหลายประการสำหรับปรากฏการณ์นี้ยังคงเป็นปริศนา เราได้เรียนรู้ว่าแรงโน้มถ่วงสากลของนิวตันคืออะไร เรียนรู้วิธีการคำนวณสำหรับวัตถุต่างๆ และยังศึกษาผลที่เป็นประโยชน์บางอย่างที่ตามมาจากปรากฏการณ์เช่นกฎความโน้มถ่วงสากล

แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ทรงพลังที่สุดในจักรวาล ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่รากฐานพื้นฐานของจักรวาล ซึ่งเป็นตัวกำหนดโครงสร้างของมัน ครั้งหนึ่งต้องขอบคุณเธอ ดาวเคราะห์ ดวงดาว และดาราจักรทั้งหมดก็เกิดขึ้น วันนี้มันทำให้โลกอยู่ในวงโคจรในการเดินทางรอบดวงอาทิตย์ที่ไม่มีวันสิ้นสุด

แหล่งท่องเที่ยวมีความสำคัญมากสำหรับ ชีวิตประจำวันบุคคล. ด้วยพลังที่มองไม่เห็นนี้ มหาสมุทรของโลกเราเต้นเป็นจังหวะ แม่น้ำไหล เม็ดฝนตกลงมาที่พื้น ตั้งแต่วัยเด็กเรารู้สึกถึงน้ำหนักของร่างกายและวัตถุรอบข้าง อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อกิจกรรมทางเศรษฐกิจของเราก็มีมหาศาลเช่นกัน

ไอแซก นิวตัน เป็นผู้คิดค้นทฤษฎีแรงโน้มถ่วงข้อแรก ปลาย XVIIศตวรรษ. กฎความโน้มถ่วงสากลของเขาอธิบายปฏิสัมพันธ์นี้ภายในกรอบ กลศาสตร์คลาสสิก. ปรากฏการณ์นี้อธิบายให้กว้างขึ้นโดยไอน์สไตน์ในของเขา ทฤษฎีทั่วไปสัมพัทธภาพซึ่งเห็นแสงสว่างเมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมา กระบวนการที่เกิดขึ้นกับแรงโน้มถ่วงที่ระดับอนุภาคมูลฐานควรอธิบายโดยทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของควอนตัม แต่ยังไม่ได้สร้างขึ้น

วันนี้เรารู้เกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงมากกว่าในสมัยของนิวตัน แต่ถึงแม้จะศึกษามาหลายศตวรรษ แต่ก็ยังเป็นอุปสรรคในฟิสิกส์สมัยใหม่ มีจุดสีขาวจำนวนมากในทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่มีอยู่ และเรายังคงไม่เข้าใจแน่ชัดว่าเกิดจากอะไร และปฏิสัมพันธ์นี้ถูกถ่ายโอนอย่างไร และแน่นอน เรายังห่างไกลจากความสามารถในการควบคุมแรงโน้มถ่วง ดังนั้นการต้านแรงโน้มถ่วงหรือการลอยตัวจะมีอยู่ในหน้านิยายวิทยาศาสตร์เท่านั้นเป็นเวลานาน

อะไรที่ตกลงมาบนหัวของนิวตัน?

ผู้คนต่างนึกถึงธรรมชาติของแรงที่ดึงดูดวัตถุมายังโลกตลอดเวลา แต่มีเพียงในศตวรรษที่ 17 เท่านั้นที่ไอแซก นิวตันสามารถปกปิดความลับได้ พื้นฐานสำหรับการพัฒนาของเขาคือผลงานของเคปเลอร์และกาลิเลโอ นักวิทยาศาสตร์ที่เก่งกาจที่ศึกษาการเคลื่อนไหวของเทห์ฟากฟ้า

หนึ่งศตวรรษครึ่งก่อนกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน นักดาราศาสตร์ชาวโปแลนด์ Copernicus เชื่อว่าแรงดึงดูดคือ "... ไม่มีอะไรมากไปกว่าความปรารถนาตามธรรมชาติที่บิดาของจักรวาลมอบให้กับอนุภาคทั้งหมด กล่าวคือ เพื่อรวมเป็นหนึ่งเดียวทั้งหมด เกิดเป็นทรงกลม” ในทางกลับกัน Descartes ถือว่าแรงดึงดูดเป็นผลมาจากการก่อกวนในโลกอีเธอร์ นักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ชาวกรีก อริสโตเติลมั่นใจว่ามวลส่งผลต่อความเร็วของวัตถุที่ตกลงมา และมีเพียงกาลิเลโอ กาลิเลอีเมื่อปลายศตวรรษที่ 16 เท่านั้นที่พิสูจน์ได้ว่าสิ่งนี้ไม่เป็นความจริง: หากไม่มีแรงต้านของอากาศ วัตถุทั้งหมดจะเร่งความเร็วเท่ากัน

ตรงกันข้ามกับตำนานยอดนิยมเกี่ยวกับหัวและแอปเปิล นิวตันได้เข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงมากว่ายี่สิบปี กฎแรงโน้มถ่วงของเขาเป็นหนึ่งในการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดตลอดกาล เป็นสากลและช่วยให้คุณสามารถคำนวณวิถีของเทห์ฟากฟ้าและอธิบายพฤติกรรมของวัตถุรอบตัวเราได้อย่างแม่นยำ ทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบคลาสสิกวางรากฐานของกลศาสตร์ท้องฟ้า กฎสามข้อของนิวตันทำให้นักวิทยาศาสตร์มีโอกาสค้นพบดาวเคราะห์ดวงใหม่อย่างแท้จริง "ที่ปลายปากกา" ในท้ายที่สุด ต้องขอบคุณพวกมันที่ทำให้คนสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกและบินไปในอวกาศได้ พวกเขาสรุปพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวดสำหรับแนวคิดทางปรัชญาของเอกภาพทางวัตถุของจักรวาลซึ่งปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมดเชื่อมโยงถึงกันและควบคุมโดยกฎทางกายภาพทั่วไป

นิวตันไม่เพียงแต่เผยแพร่สูตรที่ให้คุณคำนวณว่าแรงที่ดึงดูดร่างกายเข้าหากันคืออะไร เขาได้สร้างแบบจำลององค์รวม ซึ่งรวมถึงการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ด้วย ข้อสรุปเชิงทฤษฎีเหล่านี้ได้รับการยืนยันซ้ำแล้วซ้ำเล่าในทางปฏิบัติ รวมถึงด้วยความช่วยเหลือของวิธีการที่ทันสมัยที่สุด

ในทฤษฎีของนิวตัน วัตถุใดๆ ก็ตามจะสร้างสนามแรงดึงดูด ซึ่งเรียกว่าแรงโน้มถ่วง นอกจากนี้ แรงยังเป็นสัดส่วนกับมวลของวัตถุทั้งสองและเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง:

F = (G m1 m2)/r2

G คือค่าคงตัวโน้มถ่วงซึ่งเท่ากับ 6.67 × 10-11 m³ / (kg s²) Henry Cavendish เป็นคนแรกที่คำนวณในปี 1798

ในชีวิตประจำวันและสาขาวิชาที่ประยุกต์ใช้ แรงที่โลกดึงร่างกายมาถือเป็นน้ำหนัก แรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นในจักรวาลคือสิ่งที่แรงโน้มถ่วงอยู่ในคำพูดง่ายๆ

แรงดึงดูดเป็นจุดอ่อนที่สุดในปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งสี่ของฟิสิกส์ แต่เนื่องจากคุณลักษณะของมัน มันสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของระบบดาวและกาแลคซี่ได้:

• แรงดึงดูดทำงานในทุกระยะ นี่คือความแตกต่างหลักระหว่างแรงโน้มถ่วงกับปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแรงและแบบอ่อน ด้วยระยะทางที่เพิ่มขึ้น ผลกระทบของมันจะลดลง แต่มันไม่เคยเท่ากับศูนย์ ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่าแม้แต่อะตอมสองอะตอมที่ตั้งอยู่ ณ ปลายดาราจักรที่ต่างกันก็ใช้อิทธิพลร่วมกัน มันเล็กมาก
• แรงโน้มถ่วงเป็นสากล สนามดึงดูดมีอยู่ในตัววัตถุใดๆ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ค้นพบวัตถุบนโลกของเราหรือในอวกาศที่จะไม่มีส่วนร่วมในการโต้ตอบประเภทนี้ ดังนั้นบทบาทของแรงโน้มถ่วงในชีวิตของจักรวาลจึงมีมหาศาล ในเรื่องนี้ ความโน้มถ่วงแตกต่างจากปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีอิทธิพลต่อกระบวนการของจักรวาลน้อยมาก เนื่องจากในธรรมชาติ ร่างกายส่วนใหญ่มีความเป็นกลางทางไฟฟ้า แรงโน้มถ่วงไม่สามารถจำกัดหรือป้องกันได้
• แรงโน้มถ่วงไม่เพียงทำหน้าที่เกี่ยวกับสสารเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อพลังงานด้วย มันไม่สำคัญสำหรับเขา องค์ประกอบทางเคมีวัตถุ มีเพียงมวลเท่านั้นที่มีบทบาท

ด้วยการใช้สูตรของนิวตัน แรงดึงดูดสามารถคำนวณได้ง่าย ตัวอย่างเช่น แรงโน้มถ่วงบนดวงจันทร์น้อยกว่าบนโลกหลายเท่า เนื่องจากดาวเทียมของเรามีมวลค่อนข้างน้อย แต่ก็เพียงพอแล้วสำหรับการก่อตัวของกระแสน้ำในมหาสมุทรโลก บนโลก ความเร่งในการตกอย่างอิสระอยู่ที่ 9.81 m/s2 ยิ่งไปกว่านั้น ที่ขั้วโลกนั้นค่อนข้างใหญ่กว่าที่เส้นศูนย์สูตร

แม้จะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาวิทยาศาสตร์ต่อไป กฎของนิวตันก็มีจุดอ่อนจำนวนหนึ่งที่หลอกหลอนนักวิจัย ไม่ชัดเจนนักว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไรในพื้นที่ว่างอย่างแท้จริงในระยะทางกว้างใหญ่และด้วยความเร็วที่ยากจะเข้าใจ นอกจากนี้ ข้อมูลเริ่มสะสมซึ่งขัดแย้งกับกฎของนิวตันอย่างค่อยเป็นค่อยไป เช่น เส้นขนานความโน้มถ่วงหรือการกระจัดของจุดใกล้สุดขอบฟ้าของดาวพุธ เห็นได้ชัดว่าต้องปรับปรุงทฤษฎีความโน้มถ่วงสากล เกียรตินี้ตกเป็นของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Albert Einstein

แรงดึงดูดและสัมพัทธภาพ

การปฏิเสธที่จะพูดถึงธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ("ฉันไม่ได้ตั้งสมมติฐาน") เป็นจุดอ่อนที่ชัดเจนในแนวคิดของเขา ไม่น่าแปลกใจที่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงมากมายเกิดขึ้นในปีต่อๆ มา

ส่วนใหญ่เป็นของที่เรียกว่าแบบจำลองอุทกพลศาสตร์ซึ่งพยายามยืนยันการเกิดขึ้นของแรงโน้มถ่วงโดยปฏิกิริยาทางกลของวัตถุกับสารตัวกลางที่มีคุณสมบัติบางอย่าง นักวิจัยเรียกมันต่างกัน: "สูญญากาศ", "อีเธอร์", "การไหลของกราวิตอน" ฯลฯ ในกรณีนี้แรงดึงดูดระหว่างร่างกายเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของสารนี้เมื่อวัตถุถูกดูดซับหรือกรอง ไหล ในความเป็นจริง ทฤษฎีดังกล่าวทั้งหมดมีข้อเสียเปรียบประการหนึ่ง นั่นคือ การทำนายการพึ่งพาแรงโน้มถ่วงในระยะทางได้อย่างแม่นยำพอสมควร ทฤษฎีเหล่านี้น่าจะนำไปสู่การลดความเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับ "อีเธอร์" หรือ "การไหลของแรงโน้มถ่วง"

Einstein เข้าหาปัญหานี้จากมุมที่ต่างออกไป ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ของเขา แรงโน้มถ่วงไม่ได้ถูกมองว่าเป็นปฏิสัมพันธ์ของแรง แต่เป็นสมบัติของกาลอวกาศด้วย วัตถุใด ๆ ที่มีมวลทำให้มันโค้งงอซึ่งทำให้เกิดแรงดึงดูด ในกรณีนี้ แรงโน้มถ่วงเป็นผลทางเรขาคณิต ซึ่งถือว่าอยู่ในกรอบของเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิด

พูดง่ายๆ คือ ความต่อเนื่องของกาล-อวกาศส่งผลต่อสสาร ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของสสาร และในทางกลับกันก็ส่งผลต่อพื้นที่ "บ่งชี้" ถึงวิธีการโค้งงอ

แรงดึงดูดยังทำหน้าที่ในพิภพเล็ก แต่ในระดับอนุภาคมูลฐาน อิทธิพลของพวกมันเมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตนั้นเล็กน้อย นักฟิสิกส์เชื่อว่าปฏิกิริยาโน้มถ่วงไม่ได้ด้อยไปกว่าช่วงเวลาที่เหลือในช่วงแรก (10 -43 วินาที) หลังจากบิ๊กแบง

ในปัจจุบัน แนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงที่เสนอในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นสมมติฐานการทำงานหลักที่ยอมรับโดยชุมชนวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่และยืนยันโดยผลการทดลองจำนวนมาก

Einstein ในงานของเขาคาดการณ์ถึงผลกระทบอันน่าทึ่งของแรงโน้มถ่วงซึ่งส่วนใหญ่ได้รับการยืนยันแล้ว ตัวอย่างเช่น ความสามารถของวัตถุขนาดใหญ่ในการโค้งงอแสงและแม้กระทั่งทำให้เวลาผ่านไปช้าลง ปรากฏการณ์หลังนี้จำเป็นต้องนำมาพิจารณาในการทำงานของระบบนำทางด้วยดาวเทียมทั่วโลก เช่น GLONASS และ GPS ไม่เช่นนั้น อีกสองสามวันจะมีข้อผิดพลาดหลายสิบกิโลเมตร

นอกจากนี้ ผลที่ตามมาจากทฤษฎีของไอน์สไตน์คือสิ่งที่เรียกว่าผลกระทบเล็กน้อยของแรงโน้มถ่วง เช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและการลากของกรอบอ้างอิงเฉื่อย อาการของแรงโน้มถ่วงเหล่านี้อ่อนแอมากจนไม่สามารถตรวจพบได้เป็นเวลานาน เฉพาะในปี 2548 ต้องขอบคุณภารกิจ Gravity Probe B ที่ไม่เหมือนใครของ NASA เอฟเฟกต์ Lense-Thirring ได้รับการยืนยันแล้ว

รังสีความโน้มถ่วงหรือการค้นพบพื้นฐานที่สุดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

คลื่นความโน้มถ่วงเป็นความผันผวนในโครงสร้างกาลอวกาศ-เรขาคณิตที่แพร่กระจายด้วยความเร็วแสง การมีอยู่ของปรากฏการณ์นี้ได้รับการทำนายโดยไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอ ขนาดของมันจึงน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่สามารถตรวจพบได้เป็นเวลานาน มีเพียงหลักฐานทางอ้อมเท่านั้นที่พูดถึงการมีอยู่ของรังสี

คลื่นดังกล่าวจะสร้างวัตถุใดๆ ก็ตามที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งที่ไม่สมดุล นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่ามันเป็น "ระลอกคลื่นของกาลอวกาศ" แหล่งกำเนิดรังสีที่ทรงพลังที่สุดคือการชนกันของดาราจักรและระบบการยุบตัวที่ประกอบด้วยวัตถุสองชิ้น ตัวอย่างทั่วไปของกรณีหลังคือการรวมตัวของหลุมดำหรือดาวนิวตรอน ในกระบวนการดังกล่าว รังสีโน้มถ่วงสามารถส่งผ่านได้มากกว่า 50% ของมวลรวมของระบบ

คลื่นความโน้มถ่วงถูกตรวจพบครั้งแรกในปี 2558 โดยหอสังเกตการณ์ LIGO สองแห่ง เกือบจะในทันที เหตุการณ์นี้ได้รับสถานะของการค้นพบครั้งใหญ่ที่สุดในวิชาฟิสิกส์ในทศวรรษที่ผ่านมา ในปี 2560 เขาได้รับรางวัล รางวัลโนเบล. หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับรังสีโน้มถ่วงได้หลายครั้ง

ย้อนกลับไปในยุค 70 ของศตวรรษที่ผ่านมา - นานก่อนการยืนยันการทดลอง - นักวิทยาศาสตร์เสนอให้ใช้รังสีความโน้มถ่วงสำหรับการสื่อสารทางไกล ข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้ของมันคือความสามารถสูงในการส่งผ่านสารใดๆ โดยไม่ถูกดูดซึม แต่ในปัจจุบันนี้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย เนื่องจากมีความยากลำบากอย่างมากในการสร้างและรับคลื่นเหล่านี้ ใช่ และเรายังไม่มีความรู้ที่แท้จริงเพียงพอเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง

วันนี้ที่ ประเทศต่างๆในโลก มีการติดตั้งหลายอย่างที่คล้ายกับ LIGO และกำลังสร้างการติดตั้งใหม่ มีแนวโน้มว่าเราจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับรังสีโน้มถ่วงในอนาคตอันใกล้นี้

ทฤษฎีทางเลือกของแรงโน้มถ่วงสากลและสาเหตุของการก่อตัว

ในปัจจุบัน แนวคิดหลักของแรงโน้มถ่วงคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อาร์เรย์ข้อมูลการทดลองและการสังเกตที่มีอยู่ทั้งหมดสอดคล้องกับข้อมูลดังกล่าว ในขณะเดียวกันเธอก็มี จำนวนมากของจุดอ่อนที่ตรงไปตรงมาและประเด็นขัดแย้งจึงพยายามสร้างแบบจำลองใหม่ที่อธิบายธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงไม่หยุด

ทฤษฎีความโน้มถ่วงสากลทั้งหมดที่พัฒนาขึ้นจนถึงขณะนี้สามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มหลัก ๆ ได้หลายกลุ่ม:

• มาตรฐาน;
• ทางเลือก;
• ควอนตัม;
• ทฤษฎีสนามรวม

ความพยายามที่จะสร้างแนวคิดใหม่เกี่ยวกับความโน้มถ่วงสากลเกิดขึ้นตั้งแต่ช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ผู้เขียนหลายคนรวมอยู่ในอีเธอร์หรือทฤษฎีเกี่ยวกับแสง แต่การเกิดขึ้นของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำให้งานวิจัยเหล่านี้ยุติลง หลังจากการตีพิมพ์ เป้าหมายของนักวิทยาศาสตร์เปลี่ยนไป - ตอนนี้ความพยายามของพวกเขามุ่งเป้าไปที่การปรับปรุงโมเดลไอน์สไตน์ รวมถึงรูปแบบใหม่ ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ: การหมุนของอนุภาค การขยายตัวของจักรวาล ฯลฯ

ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 นักฟิสิกส์ได้ทดลองปฏิเสธแนวคิดทั้งหมด ยกเว้นแนวคิดที่รวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นส่วนสำคัญ ในเวลานี้ "ทฤษฎีสตริง" กลายเป็นแฟชั่นที่ดูมีความหวังมาก แต่ยังไม่พบการยืนยันการทดลองของสมมติฐานเหล่านี้ ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา วิทยาศาสตร์ได้ก้าวไปสู่จุดสูงสุดและได้รวบรวมข้อมูลเชิงประจักษ์มากมาย วันนี้พยายามสร้าง ทฤษฎีทางเลือกแรงโน้มถ่วงได้รับแรงบันดาลใจจากการศึกษาจักรวาลวิทยาที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดเช่น "สสารมืด" "อัตราเงินเฟ้อ" "พลังงานมืด" เป็นหลัก

งานหลักของฟิสิกส์สมัยใหม่อย่างหนึ่งคือการรวมทิศทางพื้นฐานสองทิศทางเข้าด้วยกัน: ทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักวิทยาศาสตร์พยายามเชื่อมโยงแรงดึงดูดกับปฏิสัมพันธ์ประเภทอื่นๆ จึงสร้าง "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" นี่คือสิ่งที่แรงโน้มถ่วงควอนตัมทำ ซึ่งเป็นสาขาของฟิสิกส์ที่พยายามอธิบายควอนตัมของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง หน่อของทิศทางนี้คือทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของวง

แม้จะมีความพยายามอย่างจริงจังและยาวนาน แต่เป้าหมายนี้ยังไม่บรรลุผล และไม่ใช่ความซับซ้อนของปัญหานี้ เป็นเพียงว่าทฤษฎีควอนตัมและสัมพัทธภาพทั่วไปมีพื้นฐานอยู่บนกระบวนทัศน์ที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง กลศาสตร์ควอนตัมทำงานร่วมกับระบบทางกายภาพที่ทำงานบนพื้นหลังของกาลอวกาศทั่วไป และในทฤษฎีสัมพัทธภาพ กาลอวกาศเองก็เป็นองค์ประกอบไดนามิกที่ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของระบบคลาสสิกที่อยู่ในนั้น

นอกจากสมมติฐานทางวิทยาศาสตร์ของความโน้มถ่วงสากลแล้ว ยังมีทฤษฎีที่ห่างไกลจากฟิสิกส์สมัยใหม่อีกด้วย น่าเสียดายที่ใน ปีที่แล้ว"บทประพันธ์" ดังกล่าวทำให้อินเทอร์เน็ตและชั้นวางของร้านหนังสือท่วมท้น ผู้เขียนงานดังกล่าวบางคนมักแจ้งผู้อ่านว่าไม่มีแรงโน้มถ่วง และกฎของนิวตันและไอน์สไตน์เป็นการประดิษฐ์และการหลอกลวง

ตัวอย่างคือผลงานของ "นักวิทยาศาสตร์" นิโคไล เลวาชอฟ ซึ่งอ้างว่านิวตันไม่ได้ค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล และมีเพียงดาวเคราะห์และดาวเทียมของเราที่ดวงจันทร์เท่านั้นที่มีแรงโน้มถ่วงในระบบสุริยะ หลักฐานที่ได้รับจาก "นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย" คนนี้ค่อนข้างแปลก หนึ่งในนั้นคือการบินของยานสำรวจ NEAR Shoemaker ของอเมริกาไปยังดาวเคราะห์น้อย Eros ซึ่งเกิดขึ้นในปี 2000 ไม่มีแรงดึงดูดระหว่างโพรบและ เทห์ฟากฟ้า Levashov พิจารณาหลักฐานของความเท็จของงานของนิวตันและการสมรู้ร่วมคิดของนักฟิสิกส์ที่ซ่อนความจริงเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงจากผู้คน

อันที่จริง ยานอวกาศประสบความสำเร็จในภารกิจของมัน อย่างแรก ยานอวกาศได้เข้าสู่วงโคจรของดาวเคราะห์น้อย จากนั้นจึงลงจอดอย่างนุ่มนวลบนพื้นผิวของมัน

แรงโน้มถ่วงเทียมและมีไว้เพื่ออะไร

มีสองแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงซึ่งถึงแม้สถานะทางทฤษฎีในปัจจุบันของพวกเขาจะเป็นที่รู้จักกันดีในหมู่ประชาชนทั่วไป สิ่งเหล่านี้เป็นการต่อต้านแรงโน้มถ่วงและแรงโน้มถ่วงเทียม

การต้านแรงโน้มถ่วงเป็นกระบวนการต่อต้านแรงดึงดูด ซึ่งสามารถลดแรงดึงดูดลงอย่างมากหรือแทนที่ด้วยแรงผลัก ความเชี่ยวชาญของเทคโนโลยีดังกล่าวจะนำไปสู่การปฏิวัติอย่างแท้จริงในด้านการขนส่ง การบิน การสำรวจอวกาศ และการเปลี่ยนแปลงทั้งชีวิตของเราอย่างสิ้นเชิง แต่ในปัจจุบัน ความเป็นไปได้ของการต้านแรงโน้มถ่วงยังไม่มีการยืนยันทางทฤษฎีด้วยซ้ำ นอกจากนี้ จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่สามารถทำได้เลย เนื่องจากจักรวาลของเราไม่มีมวลเชิงลบ เป็นไปได้ว่าในอนาคตเราจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงและเรียนรู้วิธีสร้างเครื่องบินตามหลักการนี้

แรงโน้มถ่วงเทียมเป็นการเปลี่ยนแปลงที่มนุษย์สร้างขึ้นในแรงโน้มถ่วงที่มีอยู่ วันนี้เราไม่ต้องการเทคโนโลยีดังกล่าวจริงๆ แต่สถานการณ์จะเปลี่ยนไปอย่างแน่นอนหลังจากการเริ่มต้นการเดินทางในอวกาศในระยะยาว และมันเกี่ยวข้องกับสรีรวิทยาของเราด้วย ร่างกายมนุษย์ "คุ้นเคย" จากการวิวัฒนาการหลายล้านปีต่อแรงโน้มถ่วงคงที่ของโลก รับรู้ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงที่ลดลงในทางลบอย่างยิ่ง การอยู่นานแม้ในสภาวะแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ (อ่อนแอกว่าโลกถึงหกเท่า) อาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่น่าเศร้า ภาพมายาของแรงดึงดูดสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้แรงทางกายภาพอื่นๆ เช่น ความเฉื่อย อย่างไรก็ตาม ตัวเลือกเหล่านี้ซับซ้อนและมีราคาแพง ตอนนี้แรงโน้มถ่วงเทียมยังไม่มี รากฐานทางทฤษฎีเป็นที่ชัดเจนว่าการนำไปปฏิบัติได้เป็นเรื่องของอนาคตอันไกลโพ้น

แรงโน้มถ่วงเป็นแนวคิดที่ทุกคนรู้จักตั้งแต่สมัยเรียน ดูเหมือนว่านักวิทยาศาสตร์ควรตรวจสอบปรากฏการณ์นี้อย่างละเอียดถี่ถ้วน! แต่แรงโน้มถ่วงยังคงเป็นปริศนาที่ลึกที่สุดของ วิทยาศาสตร์สมัยใหม่. และสิ่งนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมว่าความรู้ของมนุษย์มีจำกัดเกี่ยวกับโลกที่กว้างใหญ่และมหัศจรรย์ของเราเพียงใด

หากคุณมีคำถามใด ๆ - ทิ้งไว้ในความคิดเห็นด้านล่างบทความ เราหรือผู้เยี่ยมชมของเรายินดีที่จะตอบคำถามเหล่านี้

ขั้นแรก ให้จินตนาการว่าโลกเป็นลูกบอลที่ไม่เคลื่อนที่ (รูปที่ 3.1, a) แรงโน้มถ่วง F ระหว่างโลก (มวล M) กับวัตถุ (มวล m) ถูกกำหนดโดยสูตร: F=จีมม./r2

โดยที่ r คือรัศมีของโลก ค่าคงที่ G เรียกว่า ค่าคงที่โน้มถ่วงสากลและมีขนาดเล็กมาก เมื่อ r เป็นค่าคงที่ แรง F เป็นค่าคงตัว เมตร แรงดึงดูดของวัตถุมวล m โดยโลกกำหนดน้ำหนักของวัตถุนี้: W = mg การเปรียบเทียบสมการให้: g = const = GM/r 2 .

แรงดึงดูดของวัตถุมวล m โดยโลกทำให้ "ตกลง" ด้วยความเร่ง g ซึ่งคงที่ทุกจุด A, B, C และทุกที่บน พื้นผิวโลก(รูปที่ 3.1.6)

แผนภาพแรง ร่างกายฟรียังแสดงให้เห็นว่ามีแรงกระทำต่อโลกจากวัตถุมวล m ซึ่งพุ่งไปตรงข้ามกับแรงที่กระทำต่อร่างกายจากโลก อย่างไรก็ตาม มวล M ของโลกนั้นใหญ่มากจนความเร่ง "ขึ้น" เป็น "ของโลกซึ่งคำนวณโดยสูตร F \u003d Ma" นั้นไม่มีนัยสำคัญและสามารถละเลยได้ โลกมีรูปร่างอื่นที่ไม่ใช่ทรงกลม: รัศมีที่ขั้ว r p น้อยกว่ารัศมีที่เส้นศูนย์สูตร r e ซึ่งหมายความว่าแรงดึงดูดของวัตถุที่มีมวล m ที่เสา F p \u003d GMm / r 2 p มากกว่าที่เส้นศูนย์สูตร F e = GMm/r e ดังนั้นความเร่งของการตกอย่างอิสระ g p ที่ขั้วจึงมากกว่าความเร่งของการตกอย่างอิสระ g e ที่เส้นศูนย์สูตร ความเร่ง g เปลี่ยนแปลงตามละติจูดตามการเปลี่ยนแปลงรัศมีของโลก



อย่างที่คุณทราบ โลกมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา มันหมุนรอบแกนของมัน ทำหนึ่งรอบทุกวัน และโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยการปฏิวัติหนึ่งปี พิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุมวล m บนขั้ว A และบนเส้นศูนย์สูตร C (รูปที่ 3.2) เพื่อความเรียบง่าย ในหนึ่งวัน ร่างกายที่จุด A จะหมุน 360 ° โดยคงอยู่กับที่ ในขณะที่ร่างกายที่จุด C ครอบคลุมระยะทาง 2lg เพื่อให้ร่างกายที่อยู่ที่จุด C เคลื่อนที่เป็นวงกลมจำเป็นต้องมีแรงบางอย่าง นี่คือแรงสู่ศูนย์กลางซึ่งถูกกำหนดโดยสูตร mv 2 /r โดยที่ v คือความเร็วของวัตถุในวงโคจร แรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุที่จุด C, F = GMm/r ต้อง:

ก) ตรวจสอบการเคลื่อนไหวของร่างกายเป็นวงกลม

b) ดึงดูดร่างกายมายังโลก

ดังนั้น F = (mv 2 /r) + mg ที่เส้นศูนย์สูตรและ F = mg ที่ขั้ว ซึ่งหมายความว่า g เปลี่ยนตามละติจูดเมื่อรัศมีของวงโคจรเปลี่ยนจาก r ที่ C เป็นศูนย์ที่ A

น่าสนใจที่จะจินตนาการว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าความเร็วของการหมุนของโลกเพิ่มขึ้นมากจนแรงสู่ศูนย์กลางที่กระทำต่อวัตถุที่เส้นศูนย์สูตรจะกลายเป็น แรงเท่ากันแรงดึงดูด เช่น mv 2 /r = F = GMm/r 2 . แรงโน้มถ่วงทั้งหมดจะใช้เพื่อให้ร่างกายอยู่ที่จุด C ในวงโคจรเป็นวงกลมเท่านั้น และจะไม่มีแรงเหลืออยู่บนพื้นผิวโลก การเพิ่มความเร็วของการหมุนของโลกอีกจะทำให้ร่างกาย "ลอยออกไป" สู่อวกาศ ในเวลาเดียวกัน ถ้ายานอวกาศที่มีนักบินอวกาศอยู่บนเรือถูกปล่อยไปที่ความสูง R เหนือศูนย์กลางโลกด้วยความเร็ว v เท่ากับว่า mv*/R=F = GMm/R 2 เท่ากัน ยานอวกาศลำนี้ จะหมุนรอบโลกในสภาวะไร้น้ำหนัก

การวัดที่แม่นยำของการเร่งการตกอย่างอิสระ g แสดงว่า g แปรผันตามละติจูด ดังแสดงในตารางที่ 3.1 จากนี้ไปน้ำหนักของวัตถุบางอย่างเปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวโลกจากค่าสูงสุดที่ละติจูด 90 °เป็นค่าต่ำสุดที่ละติจูด 0 °



ในระดับการฝึกอบรมนี้ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการเร่งความเร็ว g มักจะถูกละเลย และใช้ค่าเฉลี่ย 9.81 m-s 2 เพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น ความเร่ง g มักใช้เป็นจำนวนเต็มที่ใกล้เคียงที่สุด นั่นคือ 10 ms - 2 และด้วยเหตุนี้ แรงดึงดูดที่กระทำต่อโลกบนวัตถุมวล 1 กิโลกรัม กล่าวคือ น้ำหนัก คิดเป็น 10 นิวตัน ส่วนใหญ่ กระดานสอบสำหรับผู้สอบแนะนำให้ใช้ g \u003d 10 m-s - 2 หรือ 10 N-kg -1 เพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น

ในธรรมชาติมีแรงหลายอย่างที่บ่งบอกถึงปฏิสัมพันธ์ของร่างกาย พิจารณาแรงเหล่านั้นที่เกิดขึ้นในกลศาสตร์

แรงโน้มถ่วงอาจเป็นพลังแรกที่มนุษย์รับรู้ได้คือแรงดึงดูดที่กระทำต่อร่างกายจากด้านข้างของโลก

และต้องใช้เวลาหลายศตวรรษกว่าที่ผู้คนจะเข้าใจว่าแรงโน้มถ่วงกระทำระหว่างวัตถุใดๆ และต้องใช้เวลาหลายศตวรรษกว่าที่ผู้คนจะเข้าใจว่าแรงโน้มถ่วงกระทำระหว่างวัตถุใดๆ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อนิวตันเป็นคนแรกที่เข้าใจความจริงข้อนี้ การวิเคราะห์กฎที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ (กฎของเคปเลอร์) เขาได้ข้อสรุปว่ากฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ที่สังเกตได้จะสำเร็จได้ก็ต่อเมื่อมีแรงดึงดูดระหว่างพวกมันซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของพวกมันและแปรผกผันกับ กำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกเขา

สูตรนิวตัน กฎแห่งแรงโน้มถ่วง. สองร่างใดถูกดึงดูดเข้าหากัน แรงดึงดูดระหว่างวัตถุของจุดนั้นมุ่งตรงไปตามเส้นตรงที่เชื่อมต่อกัน เป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของวัตถุทั้งสองและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง:

ในกรณีนี้ วัตถุแบบจุดจะหมายถึงวัตถุที่มีขนาดน้อยกว่าระยะห่างระหว่างวัตถุหลายเท่า

แรงดึงดูดที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วง ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน G เรียกว่าค่าคงที่โน้มถ่วง ค่าของมันถูกกำหนดโดยการทดลอง: G = 6.7 10¯¹¹ N m² / kg²

แรงโน้มถ่วงการกระทำใกล้พื้นผิวโลกมุ่งสู่ศูนย์กลางและคำนวณโดยสูตร:

โดยที่ g คือความเร่งในการตกอย่างอิสระ (g = 9.8 m/s²)

บทบาทของแรงโน้มถ่วงในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตมีความสำคัญมาก เนื่องจากขนาด รูปร่าง และสัดส่วนของสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับขนาดของมัน

น้ำหนักตัว.พิจารณาว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อวางของบนระนาบแนวนอน (รองรับ) ในช่วงแรกหลังจากที่โหลดลดลง มันจะเริ่มเคลื่อนลงใต้การกระทำของแรงโน้มถ่วง (รูปที่ 8)

เครื่องบินโค้งงอและมีแรงยืดหยุ่น (ปฏิกิริยาของการรองรับ) พุ่งขึ้น หลังจากที่แรงยืดหยุ่น (Fy) ปรับสมดุลแรงโน้มถ่วง ร่างกายที่ลดลงและการโก่งตัวของตัวรองรับจะหยุดลง

การโก่งตัวของส่วนรองรับเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของร่างกายดังนั้นแรงบางอย่าง (P) ทำหน้าที่รองรับจากด้านข้างของร่างกายซึ่งเรียกว่าน้ำหนักของร่างกาย (รูปที่ 8, b) ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน น้ำหนักของวัตถุจะมีขนาดเท่ากับแรงปฏิกิริยาสนับสนุนและมีทิศทางไปในทิศทางตรงกันข้าม

P \u003d - Fu \u003d F หนัก

น้ำหนักตัว เรียกว่าแรง P โดยที่ร่างกายกระทำการรองรับในแนวราบที่สัมพันธ์กับแรงนั้น.

เนื่องจากแรงโน้มถ่วง (น้ำหนัก) ถูกนำไปใช้กับส่วนรองรับ มันทำให้เสียรูปและเนื่องจากความยืดหยุ่น ต่อต้านแรงโน้มถ่วง แรงที่พัฒนาขึ้นในกรณีนี้จากด้านข้างของแนวรับเรียกว่าแรงของปฏิกิริยาของแนวรับ และปรากฏการณ์ของการพัฒนาของการตอบโต้นั้นเรียกว่าปฏิกิริยาของแนวรับ ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงปฏิกิริยาของการสนับสนุนจะมีขนาดเท่ากับแรงโน้มถ่วงของร่างกายและตรงข้ามกับทิศทาง

หากบุคคลที่อยู่ในการสนับสนุนเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของการเชื่อมโยงของร่างกายของเขาที่พุ่งออกจากการสนับสนุนแล้วแรงปฏิกิริยาของการสนับสนุนจะเพิ่มขึ้นตามค่า ma โดยที่ m คือมวลของบุคคลและเป็นความเร่งที่ การเชื่อมโยงของร่างกายของเขาเคลื่อนไหว เอฟเฟกต์ไดนามิกเหล่านี้สามารถบันทึกได้โดยใช้อุปกรณ์สเตรนเกจ (ไดนาโมแกรม)

น้ำหนักไม่ควรจะสับสนกับมวลกาย มวลของวัตถุแสดงถึงคุณสมบัติเฉื่อยและไม่ขึ้นกับแรงโน้มถ่วงหรือความเร่งที่วัตถุเคลื่อนที่

น้ำหนักของร่างกายแสดงถึงแรงที่มันกระทำต่อการรองรับและขึ้นอยู่กับทั้งแรงโน้มถ่วงและความเร่งของการเคลื่อนไหว

ตัวอย่างเช่น บนดวงจันทร์ น้ำหนักของร่างกายจะน้อยกว่าน้ำหนักของร่างกายบนโลกประมาณ 6 เท่า มวลจะเท่ากันในทั้งสองกรณีและถูกกำหนดโดยปริมาณของสสารในร่างกาย

ในชีวิตประจำวัน เทคโนโลยี กีฬา น้ำหนัก มักไม่ระบุเป็นนิวตัน (N) แต่เป็นหน่วยกิโลกรัมของแรง (kgf) การเปลี่ยนจากหน่วยหนึ่งไปอีกหน่วยหนึ่งดำเนินการตามสูตร: 1 kgf = 9.8 N

เมื่อการรองรับและร่างกายไม่เคลื่อนไหว มวลของร่างกายจะเท่ากับแรงโน้มถ่วงของร่างกายนี้ เมื่อการรองรับและร่างกายเคลื่อนไหวด้วยความเร่ง ร่างกายอาจประสบกับภาวะไร้น้ำหนักหรือน้ำหนักเกิน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับทิศทางของมัน เมื่อความเร่งเกิดขึ้นพร้อมกันในทิศทางและเท่ากับความเร่งของแรงโน้มถ่วง น้ำหนักของร่างกายจะเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงเกิดสภาวะไร้น้ำหนัก (ISS, ลิฟต์ความเร็วสูงเมื่อลดระดับลง) เมื่อความเร่งของการเคลื่อนที่ของตัวรองรับอยู่ตรงข้ามกับความเร่งของการตกอย่างอิสระ บุคคลนั้นจะประสบกับภาวะน้ำหนักเกิน (เริ่มจากพื้นผิวโลกของมนุษย์ ยานอวกาศ, ลิฟต์ความเร็วสูงขึ้นไป)

คำนิยาม

ระหว่างวัตถุใด ๆ ที่มีมวล มีแรงที่ดึงดูดวัตถุด้านบนเข้าหากัน แรงดังกล่าวเรียกว่า แรงดึงดูดซึ่งกันและกัน

พิจารณาประเด็นสำคัญสองประเด็น (รูปที่ 1) พวกมันถูกดึงดูดด้วยแรงที่แปรผันโดยตรงกับผลคูณของมวลของจุดวัสดุเหล่านี้ และเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างพวกมัน ดังนั้นแรงโน้มถ่วง () จะเท่ากับ:

โดยที่จุดวัสดุมวล m 2 กระทำบนจุดวัสดุมวล m 1 ด้วยแรงดึงดูด - รัศมี - เวกเตอร์ที่ดึงจากจุดที่ 2 ถึงจุดที่ 1 โมดูลของเวกเตอร์นี้ เท่ากับระยะทางระหว่างจุดวัสดุ (r); G \u003d 6.67 10 -11 ม. 3 กก. -1 วินาที -2 (ในระบบ SI) - ค่าคงตัวโน้มถ่วง (ค่าคงตัวความโน้มถ่วง)

ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงที่วัตถุจุด 2 ดึงดูดไปยังจุดวัสดุ 1 () เท่ากับ:

ความโน้มถ่วงระหว่างวัตถุกระทำโดยสนามโน้มถ่วง (สนามแรงโน้มถ่วง) แรงโน้มถ่วงมีศักยภาพ ทำให้สามารถแนะนำลักษณะพลังงานของสนามโน้มถ่วงเป็นศักย์ ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของพลังงานศักย์ของจุดวัสดุ ซึ่งอยู่ในจุดที่ศึกษาของสนาม ต่อมวลของจุดนี้

สูตรแรงดึงดูดของวัตถุรูปร่างตามอำเภอใจ

ในร่างสองร่างที่มีรูปร่างและขนาดตามใจชอบ เราแยกมวลเบื้องต้นออกมา ซึ่งถือได้ว่าเป็นคะแนนวัตถุ และ:

ความหนาแน่นของสารของจุดวัสดุของวัตถุที่หนึ่งและที่สองอยู่ที่ใด dV 1 ,dV 2 คือปริมาตรพื้นฐานของจุดวัสดุที่เลือก ในกรณีนี้ แรงดึงดูด () ซึ่งองค์ประกอบ dm 2 กระทำต่อองค์ประกอบ dm 1 เท่ากับ:

ดังนั้นแรงดึงดูดของวัตถุที่หนึ่งโดยวินาทีจึงหาได้จากสูตร:

โดยที่ต้องทำการรวมทั่วทั้งโวลุ่มของเนื้อหาที่หนึ่ง (V 1) และตัวที่สอง (V 2) หากเนื้อความเป็นเนื้อเดียวกัน นิพจน์สามารถเปลี่ยนได้เล็กน้อยและได้รับ:

สูตรสำหรับแรงดึงดูดของวัตถุทรงกลมทึบ

หากพิจารณาแรงดึงดูดสำหรับวัตถุแข็งสองก้อนที่มีรูปร่างเป็นทรงกลม (หรือใกล้กับทรงกลม) ความหนาแน่นนั้นขึ้นอยู่กับระยะทางไปยังจุดศูนย์กลางเท่านั้น สูตร (6) จะอยู่ในรูปแบบ:

โดยที่ m 1 ,m 2 คือมวลของลูกบอลคือรัศมี - เวกเตอร์ที่เชื่อมต่อศูนย์กลางของลูกบอล

สามารถใช้นิพจน์ (7) หากวัตถุตัวใดตัวหนึ่งมีรูปร่างอื่นที่ไม่ใช่ทรงกลม แต่ขนาดของวัตถุนั้นเล็กกว่าขนาดของวัตถุที่สองมาก - ลูกบอล ดังนั้นสูตร (7) สามารถใช้คำนวณแรงดึงดูดของวัตถุสู่โลกได้

หน่วยของแรงโน้มถ่วง

หน่วยพื้นฐานของการวัดแรงดึงดูด (เช่นเดียวกับแรงอื่น ๆ ) ในระบบ SI คือ: \u003d H.

ใน GHS: =dyn

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่าง

ออกกำลังกาย.แรงดึงดูดของลูกบอลเนื้อเดียวกันสองลูกที่เหมือนกันซึ่งมีมวลเท่ากับ 1 กิโลกรัมต่อลูกคืออะไร? ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางคือ 1 เมตร

วิธีการแก้.พื้นฐานสำหรับการแก้ปัญหาคือสูตร:

ในการคำนวณโมดูลัสของแรงดึงดูดนั้น สูตร (1.1) จะถูกแปลงเป็นรูปแบบ:

มาทำการคำนวณกัน:

ตอบ.

ตัวอย่าง

ออกกำลังกาย.ด้วยแรงใด (ในโมดูลัส) แท่งที่ยาวและบางและตรงเป็นอนันต์ดึงดูดอนุภาควัสดุที่มีมวล m อนุภาคอยู่ห่างจากแกน ความหนาแน่นมวลเชิงเส้นของสารแท่งเท่ากับ tau