Что является причиной существования силы тяжести кратко

Обновлено: 05.07.2024

Согласно википедии современная физика оперирует двумя понятиями гравитации. Она (википедия) считает, что одна гравитация работает на скоростях много меньших скорости света, а другая на околосветовых.

Обсуждать квантовую теорию гравитации мы не будем, так как этой теории ещё нет. А вот теория тяготения Ньютона, де-факто являющаяся единственной рабочей теорией гравитации в прикладных исследованиях человечества, бесспорно заслуживает того что бы о ней поговорить. Впрочем, как и общая теория относительности, считающаяся в определённых кругах самой успешной теорией гравитации. Несмотря на моё, мягко говоря, скептическое отношение к ОТО, не могу обойти вниманием тот факт, что в отличие от физики Ньютона, в ОТО предпринята попытка обозначить причину тяготения массивных тел друг к другу. Насколько эта попытка удачная – другой вопрос. Тем не менее, давайте уделим немного времени рассмотрению геометрической модели гравитации в рамках ОТО. Итак, общая теория относительности предлагает трактовать гравитацию не как силовое взаимодействие материи, а как искривление пространства-времени под действием массы этой материи. И даёт очень простое и наглядное толкование гравитации – любой материальный объект всего лишь прогибает своей массой пространство. В этом случае все виды гравитационных взаимодействий сводятся к ускоренному движению по геодезическим искривлённого пространства в окрестностях массивных тел. Примерно так, как показано ниже.

Во-вторых, логика геометрической модели гравитации ОТО отрицает силовое взаимодействие между материальными телами. В рамках этой модели массы материальных тел всего лишь прогибают окружающее их пространство и никак не взаимодействуют друг с другом. Если это действительно так, то тогда необходимо указать причины, по которым материальные тела, двигаясь по геодезическим искривлённого пространства, притягиваются друг к другу, а не разбегаются друг от друга. Т.е. для взаимного сближения тел всё равно необходима некая сила, притягивающая материальные тела друг к другу. Мы со школы помним, что в отсутствии внешних сил любой физический объект сохраняет состояние покоя или продолжает прямолинейное равномерное движение. Что бы столкнуть два тела друг с другом, обязательно нужна внешняя сила. Правда один из моих читателей написал в своём комментарии, что движение по геодезической происходит по инерции и не требует никаких усилий и затрат энергии. Если следовать такой логике, то вопросов к ОТО нет. Но в этом случае в названии этой теории необходимо заменить одну букву. Такая теория должна называться Магическая Теория Относительности - МТО. Потому что организовать движение материального тела по инерции без приложения внешней силы можно только с помощью магии. По-другому никак! В реальной жизни, благодаря принципу причинности, у любого физического явления или события всегда есть совершенно объективная материалистическая причина.

Уникальная гипотеза, которая может объяснить гравитацию, была разработана самым гениальным геометром, мистером Н. Фатио .

PS Изложенная логика гравитации неумолимо подталкивает нас к решению проблемы квантуемости гравитации. Один квант гравитации это не что иное, как одна гравичастица. В таком случае получается, что неуловимые гравитоны давно уже обнаружены и достаточно хорошо исследованы, правда под другим именем.

Решение задач по физике на взаимодействие тел связано с силой тяжести. Чтобы ее определить, следует знать условия возникновения физического явления, основные формулы и соотношения, необходимые для расчетов, а также величины, от которых она зависит. Однако перед началом обучения следует ознакомиться с понятиями и терминами.

Общие сведения

Силой тяжести (Fт) называется величина, действующая на физическое тело, которое находится на поверхности Земли или другого астрономического объекта. Последним может быть любая планета, астероид, звезда и даже черная дыра. Следует отметить, что Fт Земли отличается от других, поскольку все зависит от следующих факторов:

Гравитационного поля.
Центробежной силы инерции при вращении.

Необходимо отметить, что Fт является векторной величиной. Иными словами, она имеет направление. Единицей измерения является ньютон (Н).

Существуют также и другие классы составляющих (сила притяжения Солнца и Луны), однако они не учитываются, поскольку являются очень малыми величинами. Fт сообщает физическим телам ускорение свободного падения, которое считается величиной постоянной (константой) для отдельного астрономического тела. Она не зависит от его массы.

Гравитационное притяжение

Гравитационным притяжением, или силой Всемирного тяготения, называется величина взаимодействия двух физических тел с массами M и m, зависящая также от расстояния между ними (причем M > m). Кроме того, следует обратить внимание на константу, называемую гравитационной постоянной G.

Гравитационная составляющая играет важную роль не только для выполнения расчетов в физике, но и в сохранении жизни. С помощью этой силы строятся Солнечные системы, которые объединяются в Галактики. В Солнечной системе Земля находится на нужном расстоянии от Солнца, тем самым на первой существует жизнь. Кроме того, постоянно происходит расширение Вселенной. На основании этого явления осуществляется образование новых Галактик.

Впервые закон всемирного тяготения огласил Исаак Ньютон. У него следующая формулировка: сила взаимодействия двух тел с массами m1 и m2, совершающих работу в пространстве и находящихся на расстоянии r друг от друга, прямо пропорциональна произведению их масс на гравитационную постоянную G и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Запись в виде формулы выглядит таким образом: F = (G * m1 * m2) / r 2 . Если тело находится над поверхностью Земли, то нужно записать соотношение с учетом радиуса планеты R и его высоты над поверхностью h таким способом: F = (G * m1 * m2) / [R + h]^2.

Коэффициент G равен примерно 6,67 * 10^(-11) м 3 / (кг * с 2 ). Следует отметить, что существует определенное условие, при котором можно воспользоваться этой формулой. В этом случае следует учитывать скорость света c = 3 * 10 8 м/с, а также радиус астрономического тела R. Соотношение имеет такой вид: G * M / (R * c 2 ) 2 * r, где m — масса тела, а r — расстояние между физическим телом или материальной точкой и земной осью. Когда величина r является меньше радиуса Земли, тогда соотношение приобретает такой вид: Fc = m * w 2 * R * cos (q), где q — географическая широта, на которой расположено тело.

Ускорение свободного падения

Fт определяется по такому равенству: Fт = m * g. Для Земли величина g примерно равна 9,81 м/с 2 . По формуле видно, что g не зависит от массы тела, а обратно пропорционально зависит от квадрата расстояния искомого тела до центра Земли. Однако на поверхности планеты не всегда одинаковое ускорение. Сила тяжести увеличивается на полюсах Земного шара, а уменьшается на экваторе. Следовательно, увеличивается или уменьшается величина g. Это явление объясняется тем, что шар немного сплюснут по полюсам. Радиус экватора на 21,25 км больше, чем на последних.

Однако g зависит не только от широты. Следующим фактором является тип системы. Они бывают инерциальными и неинерциальными. Примером первой считается гелиоцентрическая система, а второй — Земля. В последнем случае она движется по орбите вокруг Солнца, а не стоит на месте.

Еще одним фактором, от которого зависит g, является плотность (p) залегания пород. Если p больше средней плотности Земли (залежи железной руды), то g становится больше. Далее следует разобраться в физическом смысле g.

Этот процесс проще понять на примере падающего тела с высоты 50 метров:

На начальном уровне его скорость эквивалентна 0. Ее следует определять по такой формуле: v = g * t
На 1 секунде (t = 1): 9,81 * 1 = 9,81 (м/с).
При t = 2: 9,81 * 2 = 19,62 (м/с).
t = 3: 9,81 * 3 = 29,43 (м/с).
t = 4: 9,81 * 4 = 39,24 (м/с).
t = 5: 9,81 * 5 = 49,05 (м/с).

Иными словами, оно равномерно разгоняется до определенной скорости с течением времени. Такое движение называется равноускоренным. Если перевести скорость на пятой секунде в км/ч, то значение будет эквивалентно величине 176,58. Однако при падении тела необходимо учитывать сопротивляемость воздуха, поскольку перо и яблоко падают не с одинаковыми показателями.

Вес тела

Весом тела (P) называется сила действия тела на опору или подвес в результате притяжения Земли. Для демонстрации этого явления необходимо рассмотреть пример взаимодействия пружины и тела, прикрепленного к ней. Под действием Fт пружина деформируется и появляется новая величина, называемая силой упругости Fупр. Необходимо отметить, что векторы Fупр и Fт направлены в противоположные стороны. Направление силы тяжести, а точнее ее вектора, осуществляется всегда вниз, а Fупр — вверх.

При использовании опоры, на которой лежит физическое тело, величина P будет равна реакции опоры, направленной вверх. Следовательно, модули N и Fт равны, поскольку тело не падает. Значит P определяется по следующей формуле: P = N = |Fт| = m * g. Однако природа возникновения P и Fт различна, поскольку первая приложена к подвесу или опоре. Она является результатом взаимодействия тела и последней. Вторая — взаимодействие тела и силы тяготения. Кроме того, она приложена только к телу. В этих ключевых аспектах и заключается основная разница между P и Fт.

Вес тела обладает некоторыми особенностями. Сила тяжести — составляющая P. Первый состоит из совокупности сил (реакция опоры или сила упругости, сила тяжести и тяги). А также P зависит от скорости движения подвеса или выталкивающей силы в жидкостях.

Понятие невесомости

Для понимания явления невесомости следует проделать опыт с весами и телом. Если держать весы, к которым привязано тело, то можно увидеть вес последнего, равного по модулю Fт = m * g. Однако при выпускании весов из рук показание начнет стремительно приближаться к нулевому значению. Это связано с тем, что P и Fт компенсируют друг друга, поскольку в одном и другом случаях величина g одинакова.

Математически такое явление можно записать следующим образом: P = m * (g — g) = 0. Запись показывает, что физическое тело не деформируется, поскольку движется в одном направлении с вектором Fт. Далее следует рассмотреть Космос. В нем также присутствует невесомость, но другого вида. Если космический корабль находится далеко от Земли, то силы притяжения на него практически не действуют, а, следовательно, значение Fт стремится к 0. Расчет выполняется по такой методике:

Записывается формула силы тяжести Fт: Fт = m * g.
Величина параметра g стремится к бесконечно малому значению, равному 0 (g -> 0), поскольку находится из уравнения: 0 = m * g. Из равенства можно вычислить g = 0 / m = 0.
Подставив g -> 0 в формулу веса тела, можно получить такое тождество: P = m * g = m * 0 = 0.

Методика позволяет при помощи математических преобразований находить любые значения физических величин. Выражение g -> 0 показывает, что g практически равно 0. Очень важную роль сила тяжести играет в природе, поскольку влияет на некоторые необходимые для жизни процессы.

Значение в природе

Ученые установили, что без Fт невозможно существование жизни и Вселенной, поскольку она необходима для термоядерного синтеза на Солнце. Если бы не было ее, то звезды в процессе своей эволюции на конечных стадиях взрывались, распыляя в космическое пространство мощные потоки радиоактивной энергии, губительной для всего живого.

Кроме того, с ее участием формируется структура внутренней оболочки Земли. Следует обратить внимание на метеориты, которые образуются в космическом пространстве в результате уничтожения звезд или других элементов Галактики. Планеты, обладающие большей силой гравитации, помогают отвести нежелательные космические тела от нашей планеты. Например, при помощи мощного телескопа можно рассмотреть поверхность Юпитера, на которой заметно множество кратеров. Подобные изменения рельефа присутствуют также и на Марсе. Несмотря на меньшие размеры, он обладает большей массой, чем Земля, а, следовательно, и гравитационное поле мощнее.

Круговорот вещества и энергии зависит от потенциальной энергии Fт, которая постоянно переходит в кинетическую и обратно. Кроме того, при помощи этой силы удерживается атмосфера, влияющая на жизнь и защищающая от губительного излучения космического пространства и близлежащей звезды — Солнца. В результате этого существует такая характеристика, как атмосферное давление. Оно является результатом воздействия Fт на слои атмосферы.

Благодаря Fт живые организмы ориентируются в пространстве при помощи определенных рецепторов. У человека за это отвечает вестибулярный аппарат. Кроме того, постоянное воздействие Fт стало причиной образования прочного скелета у позвоночных.

Таким образом, сила тяжести играет важную роль в существовании жизни на Земле, поскольку от нее зависит множество явлений и процессов, а также в построении Вселенной.

Человек не умеет летать. Нет, он, конечно, может сесть в самолет, но самостоятельно полететь не сможет. Или все-таки сможет? Разбираемся в этой статье.

О чем эта статья:

Сила: что это за величина

В повседневной жизни мы часто встречаем, как любое тело деформируется (меняет форму или размер), ускоряется или тормозит, падает. В общем, чего только с разными телами в реальной жизни не происходит. Причиной любого действия или взаимодействия является сила.

Сила — это физическая векторная величина, которую воздействует на данное тело со стороны других тел.

Она измеряется в Ньютонах — это единица измерения названа в честь Исаака Ньютона.

У силы, в отличие от некоторых других физических величин (например массы или объема), есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В данном случае результат выражается в направлении движения.

Сила тяготения

В 1682 году Исаак Ньютон открыл Закон Всемирного тяготения. Он звучит так: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:

Закон всемирного тяготения

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

M — масса планеты [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6,67 · 10 −11 м 3 · кг −1 · с −2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз.

Закон всемирного тяготения используют, чтобы вычислить силы взаимодействия между телами любой формы, если размеры тел значительно меньше расстояния между ними.

Если мы возьмем два шара, то для них можно использовать этот закон вне зависимости от расстояния между ними. За расстояние R между телами в этом случае принимается расстояние между центрами шаров.

Сила тяжести

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает все тела.

Сила тяжести

F = mg

F — сила тяжести [Н]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g = 9,8 м/с 2

На первый взгляд сила тяжести очень похожа на вес тела. Действительно, в состоянии покоя на поверхности Земли формулы силы тяжести и веса идентичны. Но разница все-таки есть, давайте разбираться.

Эта формула и правда аналогична силе тяжести. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору или подвес. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Также, важно понимать, что сила тяжести зависит исключительно от массы и планеты, на которой тело находится. Вес зависит также от ускорения, с которым движутся тело или опора.

Например, в лифте вес тела зависит от того, куда и с каким ускорением движется тело. А силе тяжести все равно, куда и что движется — она не зависит от внешних факторов.

На второй взгляд сила тяжести очень похожа на силу тяготения. В обоих случаях мы имеем дело с притяжением — значит можем сказать, что это одно и то же. Практически.

Мы можем сказать, что это одно и то же, если речь идет о Земле и каком-то предмете, который к ней притягивается. Тогда мы можем даже приравнять эти силы и выразить формулу для ускорения свободного падения:

Приравниваем правые части:

Делим на массу тела левую и правую части:

Это и будет формула ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения для каждой планеты уникально.

Закон всемирного тяготения

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

M — масса планеты [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6,67 · 10 −11 м 3 · кг −1 · с −2

А теперь задачка

Определить силу тяжести, действующую на тело массой 80 кг.

Решение:

Не смотря на кажущуюся простоту, тут есть над чем подумать. Вроде бы просто нужно взять формулу F = mg, подставить числа и дело в шляпе.

Да, но есть один нюанс: в значении ускорения свободного падения для Земли очень много знаков после запятой. В школе обычно дают то же значение, что мы указывали выше: g = 9,8 м/с 2 .

В экзаменах ОГЭ и ЕГЭ в справочных данных дают g = 10 м/с 2 .

Все просто: для кого решается задача, тот и главный. В экзаменах берем g = 10 , в школе при решении задач (если в условии задачи не написано что-то другое) берем g = 9,8 м/с 2 .

F = 80 · 10 = 800 Н

Ответ: 800 Н.

Учимся летать

Искусственный спутник Земли — космический летательный аппарат, который вращается вокруг Земли по геоцентрической орбите. Чтобы у него так получалось, аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости.

Кстати, есть еще вторая и третья космические скорости. Вторая космическая скорость — это минимальная скорость, с которой должно двигаться тело, чтобы оно могло без затрат дополнительной работы преодолеть влияние поля тяготения Земли, т. е. удалиться на бесконечно большое расстояние от Земли. А на третьей космической скорости тело вылетит за пределы Солнечной системы.

Подробнее о возможностях полетов и невесомости читайте в нашей статье про вес тела.

Люди с древности задумывались о том, какая сила притягивает предметы к Земле. Явление гравитации пытались объяснить такие великие умы, как Ньютон и Эйнштейн, но до сих пор оно остается не до конца изученным

Степень гравитации любого объекта пропорциональна его массе. Таким образом, объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Поскольку Земля является самым крупным и ближайшим объектом вокруг, то все предметы и объекты притягивается к ней. Например, яблоки падают на землю, а не притягиваются, к примеру, к голове человека.

Расстояние также влияет на гравитацию. Чем дальше объект, тем гравитационное притяжение слабее.

Древние ученые, пытавшиеся описать мир, придумали собственные объяснения того, почему предметы падают на землю. Древнегреческий философ Аристотель утверждал, что объекты имеют естественную тенденцию двигаться к центру Вселенной, который, по его мнению, находился в середине Земли.

Однако поляк Николай Коперник в XVI веке понял, что траектории планет на небе определяются положением Солнца, которое и является центром Солнечной системы. Век спустя британский математик и физик Исаак Ньютон расширил идеи Коперника и пришел к выводу, что, поскольку Солнце притягивает планеты, все объекты притягиваются друг к другу.

В наши дни действующей теорией, описывающей гравитацию, является общая теория относительности Эйнштейна.

Классическая теория тяготения Ньютона

Английский физик Исаак Ньютон рассказывал, что идея о всемирном тяготении пришла ему в голову на прогулке. Он шел по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел Луну в дневном небе, а затем — как с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Ньютон к тому моменту уже работал над законами движения и понимал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Он также знал, что Луна не занимает статичную позицию в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, то есть, на нее воздействует какая-то сила, которая не дает спутнику улететь в космос. Физик понял, что, возможно, на яблоко и Луну действует одна и та же сила.

Предшественники Ньютона рассуждали иначе. Итальянский физик Галилео Галилей считал, что на Земле действует природное притяжение. Немецкий астроном Иоганн Кеплер полагал, что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, чем на Земле. Ньютон же объединил эти два типа гравитации в своем сознании.

Закон всемирного тяготения Ньютона, сформулированный им в 1687 году, гласит, что между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Он выражен математическим уравнением: если M и m — массы двух тел, а r — расстояние между ними, тогда сила F взаимного гравитационного притяжения между ними равна F = GMm/r², где G — гравитационная постоянная, равная силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 кг каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга. Уравнение гласит, что сила (F) пропорциональна массам двух объектов, разделенным на квадрат расстояния между ними. Из него следует, что чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними, но чем дальше они друг от друга, тем слабее притяжение.

Действие закона распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. Сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. На каждого человека действует сила земного притяжения, которая ощущается как вес.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что не только Земля притягивает яблоко, но и яблоко притягивает Землю. Но огромная масса Земли означает, что требуется гораздо больше силы, чтобы сдвинуть ее на ощутимую величину, поэтому яблоко падает, а Земля остается практически неподвижной. То же самое верно и в более широком контексте. Каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект, и чем он ближе и массивнее, тем больше его гравитационная сила.

По Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях и мгновенно. Однако самая большая скорость в мире — скорость света, а для преодоления больших расстояний свету нужно не мгновение, а несколько секунд и иногда даже лет.

Теория гравитации Эйнштейна

В 1798 году британский физик Генри Кавендиш провел один из первых в мире высокоточных экспериментов, чтобы попытаться точно определить значение G, гравитационной постоянной. Он построил так называемые крутильные весы, прикрепив два маленьких свинцовых шарика к концам балки, подвешенной горизонтально на тонкой проволоке. Рядом с каждым из шаров физик поместил большой сферический свинцовый груз. Маленькие свинцовые шарики гравитационно притягивались к тяжелым свинцовым гирям, в результате чего проволока слегка скручивалась. Это явление позволило ему рассчитать величину G.

Примечательно, что оценка Кавендиша для G всего на 1% отличалась от принятого на сегодняшний день значения 6,674 × 10^-11 м^3/кг^1 * с^2. Чтобы получить точное значение, ученые должны разработать невероятно чувствительное оборудование.

Немецко-американский физик Альберт Эйнштейн произвел следующую революцию в нашем понимании гравитации. Его общая теория относительности показала, что гравитация возникает из-за искривления пространства-времени, а это означает, что даже лучи света, которые должны следовать этой кривизне, преломляются чрезвычайно массивными объектами. В рамках его теории гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы и энергии.

Теории Эйнштейна использовались для предположений о существовании черных дыр — небесных объектов с такой большой массой, что даже свет не может выйти из-под их поверхности. Вблизи черной дыры закон всемирного тяготения Ньютона уже не может точно описать, как движутся объекты.

Теория, которую Эйнштейн опубликовал в 1915 году, расширила его специальную теорию относительности, которую ученый разработал за десятилетие до этого. Специальная теория относительности утверждала, что пространство и время неразрывно связаны, но эта теория не признавала существование гравитации.

В своей специальной теории относительности Эйнштейн определил, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, не движущихся с ускорением, и показал, что скорость света в вакууме одинакова независимо от скорости, с которой движется наблюдатель. В результате он обнаружил, что пространство и время переплетаются, и события, происходящие в одно и то же время для одного наблюдателя, могут происходить в разное время для другого.

Разрабатывая уравнения своей общей теории относительности, Эйнштейн понял, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени. Представьте, что вы устанавливаете большой объект в центре батута. Объект вдавливался в ткань, вызывая появление ямочек. Если затем попытаться катить шарик по краю батута, он будет двигаться по спирали внутрь к этому объекту.

Вращение тяжелого объекта, такого как Земля, должно скручивать и искажать пространство-время вокруг него. В 2004 году NASA запустило гравитационный зонд Gravity Probe B. По данным агентства, оси точно откалиброванных гироскопов спутника с течением времени очень незначительно дрейфовали, что соответствует теории Эйнштейна.

Эйнштейн предсказал, что такие события, как столкновение двух черных дыр, создают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. А в 2016 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) объявила, что впервые определила такой сигнал. Гравитационная волна была вызвана столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца. После этого они слились в одну большую черную дыру. Это произошло, предположительно, 1,3 млрд лет назад.

С тех пор LIGO и ее европейский аналог Virgo обнаружили в общей сложности 50 гравитационно-волновых событий.

Чему равна сила гравитации

Гравитационное поле Земли — это поле силы тяжести, которое образуется из-за силы тяготения Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением.

Сила тяжести на поверхности Земли варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. В приблизительных расчетах значение обычно принимают равным 9,81; 9,8 или 10 м/с². Однако оно учитывает только силу тяжести и не учитывает центробежную силу, возникающую за счет вращения Земли. При подъеме тела над поверхностью Земли значение уменьшается.

NASA в рамках проекта GRACE создало визуализацию гравитационных аномалий на Земле. Красным цветом показаны области, где гравитация сильнее, а синим — где она слабее стандартных значений (Фото: NASA)

Французские ученые утверждают, что различие в гравитационной постоянной в различных регионах нашей планеты зависит от величины напряженности магнитного поля Земли. Они предположили, что такое влияние может объясняться наличием дополнительных и скрытых для непосредственного наблюдения измерений пространства. Ученые подсчитали, что земное тяготение будет сильнее в тех местах, где сильнее магнитное поле. Таким образом, своих максимальных значений оно достигает в районах северного и южного магнитных полюсов. Они не совпадают с географическими полюсами. Так, северный магнитный полюс располагается в границах нынешней канадской Арктики, а южный лежит на краю Антарктиды.

Если принимать значение гравитации на Земле за единицу, то на Солнце оно будет равно 27,9, на Меркурии — 0,37, на Венере — 0,9, на Луне — 0,16, на Марсе — 0,37, на Юпитере — 2,6. Таким образом, если человек, который на Земле весит 60 кг, взвесится на Юпитере, то весы покажут 142 кг.

Космонавты на орбите также испытывают микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.

Современное представление о гравитации

Однако теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности — опираются на разные наборы принципов. Первая описывает временну́ю эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. Во второй внешнего пространства-времени вообще нет — оно само является динамической переменной в теории.

В квантовой гравитации развиваются два основных направления — это теория струн и петлевая квантовая гравитация. В первой теории вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны.

Во второй делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону; пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Это маленькие квантовые ячейки пространства, которые определенным способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают дискретную структуру пространства, а в больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Предполагается, что именно петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, который предшествовал образованию Вселенной.

Сотрудники Университета штата Пенсильвания с 1980-х годов разрабатывают парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Она описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.

Существующая теория Большого взрыва, как уже говорилось, не объясняет, что было до зарождения Вселенной. Ученые из Пенсильвании придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из распада предыдущей вселенной. Для описания этого состояния они объединили квантовую механику и теорию относительности. Авторы работы утверждают, что смогли описать космическое излучение, которое возникло непосредственно после зарождения Вселенной. Они заявили, что в эйнштейновскую ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Именно это в будущем может позволить объяснить, почему галактики и материя распространены во Вселенной неравномерно.

Существует и такое понятие как антигравитация — предполагаемое противодействие, которое гасит или даже превышает гравитационное притяжение путем отталкивания.

Нынешний подход к антигравитации заключается в том, чтобы освободить объект от действия силы тяжести, чтобы он какое-то время не был подвержен гравитации. Например, полет человека в аэродинамической трубе обеспечивается за счет того, что силе тяжести противодействует поток воздуха.

Пока вопрос существования антигравитации как самостоятельного явления остается открытым, так как само явление гравитации только изучается.

Как преодолеть гравитацию

Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы объект двигался по орбите вокруг планеты. Чтобы вырваться из гравитационного поля Земли, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость. Чтобы выйти за границу сферы земного притяжения, которая заканчивается на расстоянии около 930 тыс. км от Земли, скорость объекта должна составлять около 16,6 км/с. Это третья космическая скорость.

Если бы не было гравитации

В соответствии с вышеприведенными законами физики на практике такая ситуация невозможна.

Бывший астронавт NASA, физик Джей Баки, отмечает, что наш организм адаптирован к силе земного притяжения. Когда сила тяжести почти исчезает (например, на борту МКС), организм начинает перестраиваться. За время миссий в космосе члены экипажей кораблей теряют костную массу и мышечный тонус, а также чувство равновесия.

Доктор Кевин Фонг добавляет, что количество эритроцитов в организме падает, что приводит к так называемой космической анемии. При этом раны заживают дольше, а также снижается иммунитет, наблюдаются проблемы со сном. Таким образом, в отсутствие гравитации мышцы, вестибулярный аппарат, сердце и кровеносные сосуды развивались бы иначе.

Астроном Карен Мастерс из Портсмутского университета в Великобритании предположил, что в отсутствие гравитации Земля начала бы вращаться с большой угловой скоростью как раскручиваемая над головой веревка. Таким образом, любые объекты на планете улетели бы прямо в космос, как и вода с атмосферой. Только укрепленные строения могли бы какое-то время держаться на поверхности Земли.

В конечном счете отсутствие гравитации разрушит саму планету. Земля развалится на части, которые разлетятся в разные стороны.

Похожий пример, но с Солнцем, приводит канал Discovery News в своем видео.

Без гравитации не осталось бы ни звезд, ни планет, а Вселенная стала бы смесью рассеянных атомов и молекул.

Возможна ли искусственная гравитация

Читайте также: