Zakon gravitacionog privlačenja. Zemljina gravitacija
Prvo učimo o konceptu gravitacije u školi. Tamo nam obično govore da postoji tako nevjerovatna sila koja drži sve na Zemlji i samo zahvaljujući njoj ne letimo u svemir i ne hodamo naopačke. Tu zabava praktički prestaje, jer nam u školi govore samo najosnovnije i najjednostavnije stvari. U stvarnosti, postoji mnogo debata o univerzalnoj gravitaciji, naučnici predlažu nove teorije i ideje, a ima mnogo više nijansi nego što možete zamisliti. U ovoj zbirci naći ćete nekoliko vrlo zanimljivih činjenica i teorija o utjecaju gravitacije, koje ili nisu bile uključene u školski program, ili su postale poznate ne tako davno.
10. Gravitacija je teorija, a ne dokazani zakon.
Postoji mit da je gravitacija zakon. Ako pokušate da istražite ovu temu na mreži, svaki pretraživač će vam ponuditi mnogo linkova o Newtonovom zakonu univerzalne gravitacije. Međutim, u naučnoj zajednici zakoni i teorije su potpuno različiti koncepti. Naučni zakon je nepobitna činjenica zasnovana na potvrđenim podacima koja jasno objašnjava suštinu nastalih pojava. Teorija je, pak, vrsta ideje uz pomoć koje istraživači pokušavaju da objasne određene pojave.
Ako gravitacionu interakciju opišemo naučnim terminima, relativno pismenoj osobi odmah postaje potpuno jasno zašto se univerzalna gravitacija posmatra u teorijskoj ravni, a ne kao zakon. Budući da naučnici još uvijek nemaju mogućnost proučavanja gravitacijskih sila svake planete, satelita, zvijezde, asteroida i atoma u Univerzumu, nemamo pravo priznati univerzalnu gravitaciju kao zakon.
Robotska sonda Voyager 1 prešla je 21 milijardu kilometara, ali čak i na tako dalekoj udaljenosti od Zemlje, jedva je napustila naš planetarni sistem. Let je trajao 40 godina i 4 mjeseca, a za sve to vrijeme istraživači nisu dobili mnogo podataka da bi misli o gravitaciji prenijeli iz teorijske oblasti u kategoriju zakona. Naš univerzum je prevelik, a mi još uvek premalo znamo...
9. Postoje mnoge praznine u teoriji o gravitaciji
Već smo utvrdili da je univerzalna gravitacija samo teorijski koncept. Štaviše, pokazalo se da ova teorija još uvijek ima mnogo praznina koje jasno ukazuju na njenu relativnu inferiornost. Uočene su mnoge nedosljednosti ne samo unutar našeg Sunčevog sistema, već čak i ovdje na Zemlji.
Na primjer, prema teoriji univerzalne gravitacije na Mjesecu, gravitacionu silu Sunca treba osjetiti mnogo jaču od gravitacije Zemlje. Ispostavilo se da bi se Mjesec trebao okretati oko Sunca, a ne oko naše planete. Ali znamo da je Mjesec naš satelit, a za to je ponekad dovoljno samo podići oči na noćno nebo.
U školi su nam pričali o Isaaku Njutnu, kome je sudbonosna jabuka pala na glavu, inspirišući ga idejom o teoriji univerzalne gravitacije. Čak je i sam Newton priznao da njegova teorija ima određene nedostatke. Svojevremeno je upravo Newton postao autor novog matematičkog koncepta - fluksija (derivati), koji mu je pomogao u formiranju te same teorije gravitacije. Fluksije vam možda ne zvuče tako poznato, ali na kraju su se čvrsto ukorijenile u svijetu egzaktnih znanosti.
Danas se u matematičkoj analizi često koristi metoda diferencijalnog računa, zasnovana upravo na idejama Newtona i njegovog kolege Leibniza. Međutim, i ovaj dio matematike je prilično nepotpun i nije bez nedostataka.
8. Gravitacioni talasi
Opća teorija relativnosti Alberta Ajnštajna je predložena 1915. Otprilike u isto vrijeme pojavila se hipoteza o gravitacijskim valovima. Sve do 1974. godine postojanje ovih talasa ostalo je čisto teorijsko.
Gravitacioni talasi se mogu uporediti sa talasima na platnu prostorno-vremenskog kontinuuma, koji se pojavljuju kao rezultat velikih događaja u Univerzumu. Takvi događaji mogu biti sudar crnih rupa, promjena brzine rotacije neutronske zvijezde ili eksplozija supernove. Kada se ovako nešto dogodi, gravitacijske sile se šire prostorno-vremenskim kontinuumom, poput talasa u vodi od kamena koji pada u njega. Ovi talasi putuju kroz Univerzum brzinom svetlosti. Katastrofalne događaje ne viđamo često, pa nam je potrebno mnogo godina da otkrijemo gravitacione talase. Zato je naučnicima trebalo više od 60 godina da dokažu njihovo postojanje.
Skoro 40 godina naučnici proučavaju prve dokaze o gravitacionim talasima. Kako se ispostavilo, ovi talasi nastaju tokom spajanja binarnog sistema veoma gustih i teških gravitaciono vezanih zvezda koje se okreću oko zajedničkog centra mase. Vremenom se komponente binarne zvijezde zbližavaju i njihova brzina postepeno opada, kako je predvidio Einstein u svojoj teoriji. Veličina gravitacionih talasa je toliko mala da su 2017. čak dobili Nobelovu nagradu za fiziku za svoje eksperimentalno otkrivanje.
7. Crne rupe i gravitacija
Crne rupe su jedna od najvećih misterija u Univerzumu. Pojavljuju se tokom gravitacionog kolapsa prilično velike zvijezde, koja postaje supernova. Kada supernova eksplodira, značajna masa zvjezdanog materijala se izbacuje u svemir. Ono što se dešava može izazvati formiranje prostorno-vremenske regije u prostoru u kojoj gravitaciono polje postaje toliko snažno da čak ni svjetlosni kvanti nisu u stanju napustiti ovo mjesto (ovu crnu rupu). Nije sama gravitacija ta koja formira crne rupe, ali ona i dalje igra ključnu ulogu u posmatranju i proučavanju ovih regiona.
Gravitacija crnih rupa pomaže naučnicima da ih otkriju u svemiru. Budući da gravitaciono privlačenje može biti nevjerovatno moćno, istraživači ponekad mogu primijetiti njegove efekte na druge zvijezde ili na plinove koji okružuju ove regije. Kada crna rupa usisava plinove, formira se takozvani akrecijski disk u kojem se materija ubrzava do tako velikih brzina da počinje proizvoditi intenzivno zračenje kada se zagrije. Ovaj sjaj se takođe može detektovati u rendgenskom opsegu. Zahvaljujući fenomenu akrecije, uspjeli smo dokazati postojanje crnaca (koristeći posebne teleskope). Ispostavilo se da da nije bilo gravitacije, ne bismo ni znali za postojanje crnih rupa.
6. Teorija o crnoj materiji i crnoj energiji
Foto: NASA
Otprilike 68% svemira sastoji se od tamne energije, a 27% je rezervisano za tamnu materiju. U teoriji. Unatoč činjenici da je u našem svijetu tamnoj materiji i tamnoj energiji raspoređeno toliko prostora, o njima znamo vrlo malo.
Vjerovatno znamo da tamna energija ima niz svojstava. Na primjer, vođeni Ajnštajnovom teorijom gravitacije, naučnici su sugerisali da se tamna energija neprestano širi. Inače, naučnici su u početku vjerovali da će im Ajnštajnova teorija pomoći da dokažu da gravitacioni uticaj tokom vremena usporava širenje Univerzuma. Međutim, 1998. podaci dobijeni svemirskim teleskopom Hubble dali su razlog za vjerovanje da se Univerzum širi samo sve većom brzinom. Istovremeno, naučnici su došli do zaključka da teorija gravitacije nije u stanju da objasni fundamentalne pojave koje se dešavaju u našem Univerzumu. Tako se pojavila hipoteza o postojanju tamne energije i tamne materije, osmišljena da opravda ubrzanje širenja Univerzuma.
5. Gravitoni
Foto: pbs.org
U školi nam govore da je gravitacija sila. Ali moglo bi biti i nešto više... Moguće je da će se gravitacija u budućnosti smatrati manifestacijom čestice koja se zove graviton.
Hipotetički, gravitoni su elementarne čestice bez mase koje emituju gravitaciono polje. Do danas, fizičari još nisu dokazali postojanje ovih čestica, ali već imaju mnoge teorije o tome zašto ovi gravitoni svakako moraju postojati. Jedna od ovih teorija kaže da je gravitacija jedina sila (od 4 fundamentalne sile prirode ili interakcije) koja još nije povezana s jednom elementarnom česticom ili bilo kojom strukturnom jedinicom.
Gravitoni mogu postojati, ali prepoznati ih je nevjerovatno teško. Fizičari sugeriraju da se gravitacijski valovi sastoje samo od ovih neuhvatljivih čestica. Kako bi otkrili gravitacijske valove, istraživači su proveli mnoge eksperimente, u jednom od kojih su koristili ogledala i lasere. Interferometrijski detektor može pomoći u otkrivanju pomaka zrcala čak i na najmikroskopskim udaljenostima, ali nažalost ne može otkriti promjene povezane s česticama sitnim poput gravitona. U teoriji, za takav eksperiment, naučnicima bi bila potrebna ogledala toliko teška da bi se mogle pojaviti crne rupe ako se sruše.
Općenito, čini se da nije moguće otkriti ili dokazati postojanje gravitona u bliskoj budućnosti. Za sada, fizičari posmatraju Univerzum i nadaju se da će tamo pronaći odgovore na svoja pitanja i da će moći otkriti manifestacije gravitona negdje izvan zemaljskih laboratorija.
4. Teorija crvotočina
Foto: space.com
Crvotočine, crvotočine ili crvotočine su još jedna velika misterija Univerzuma. Bilo bi super ući u neku vrstu svemirskog tunela i putovati brzinom svjetlosti kako bi se u što kraćem vremenu stiglo do druge galaksije. Ove fantazije su više puta korištene u naučnofantastičnim trilerima. Ako zaista postoje crvotočine u svemiru, takvi skokovi mogu biti sasvim mogući. U ovom trenutku naučnici nemaju dokaza o postojanju crvotočina, ali neki fizičari vjeruju da se ovi hipotetički tuneli mogu stvoriti manipulacijom gravitacije.
Ajnštajnova opšta teorija relativnosti dozvoljava mogućnost pojavljivanja crvotočina koje savijaju um. Uzimajući u obzir rad legendarnog naučnika, drugi fizičar, Ludwig Flamm, pokušao je opisati kako sila gravitacije može iskriviti vremenski prostor na način da se formira novi tunel, most između jednog dijela tkiva fizičke stvarnosti. i drugo. Naravno, postoje i druge teorije.
3. Planete takođe imaju gravitacioni uticaj na Sunce
Već znamo da gravitaciono polje Sunca utiče na sve objekte u našem planetarnom sistemu, i zato se svi oni okreću oko naše jedne zvezde. Po istom principu, Zemlja je povezana sa Mjesecom, pa se zbog toga Mjesec okreće oko naše matične planete.
Međutim, svaka planeta i svako drugo nebesko tijelo sa dovoljnom masom u našem Sunčevom sistemu također ima svoja gravitacijska polja, koja utiču na Sunce, druge planete i sve druge svemirske objekte. Veličina gravitacijske sile koja djeluje ovisi o masi objekta i udaljenosti između nebeskih tijela.
U našem Sunčevom sistemu, zahvaljujući gravitacionoj interakciji, svi objekti rotiraju u svojim orbitama. Najjača gravitaciona privlačnost je, naravno, od Sunca. Uglavnom, svi nebeski objekti sa dovoljnom masom imaju svoje gravitaciono polje i utiču na druge objekte sa značajnom masom, čak i ako se nalaze na udaljenosti od nekoliko svetlosnih godina.
2. Mikrogravitacija
Foto: NASA
Svi smo više puta vidjeli fotografije astronauta kako lete kroz orbitalne stanice ili čak izlaze izvan svemirske letjelice u posebnim zaštitnim odijelima. Verovatno ste navikli da mislite da se ovi naučnici obično prevrću u svemiru, a da ne osećaju gravitaciju, jer je tamo nema. I veoma biste pogrešili ako jeste. U svemiru postoji i gravitacija. Uobičajeno je da se zove mikrogravitacija, jer je gotovo neprimjetna. Zahvaljujući mikrogravitaciji astronauti se osjećaju lagani poput perja i tako slobodno lebde u svemiru. Da uopšte nije bilo gravitacije, planete se jednostavno ne bi okretale oko Sunca, a Mjesec bi odavno napustio Zemljinu orbitu.
Što je predmet dalje od centra gravitacije, to je sila gravitacije slabija. Mikrogravitacija je ta koja deluje na ISS, jer su svi tamošnji objekti mnogo dalje od Zemljinog gravitacionog polja nego što ste čak i vi sada ovde. Gravitacija slabi i na drugim nivoima. Na primjer, uzmimo jedan pojedinačni atom. Ovo je tako sićušna čestica materije da takođe doživljava prilično skromnu gravitacionu silu. Kako se atomi spajaju u grupe, ova sila se, naravno, povećava.
1. Putovanje kroz vrijeme
Ideja o putovanju kroz vrijeme fascinira čovječanstvo već duže vrijeme. Mnoge teorije, uključujući teoriju gravitacije, daju nadu da će takvo putovanje jednog dana zaista postati moguće. Prema jednom konceptu, gravitacija formira određeni zavoj u prostorno-vremenskom kontinuumu, koji prisiljava sve objekte u svemiru da se kreću duž zakrivljene putanje. Kao rezultat toga, objekti u svemiru kreću se nešto brže u odnosu na objekte na Zemlji. Tačnije, evo primjera: satovi na svemirskim satelitima su svaki dan 38 mikrosekundi (0,000038 sekundi) ispred vaših kućnih budilnika.
Budući da gravitacija uzrokuje da se objekti kreću brže u svemiru nego na Zemlji, astronauti se zapravo mogu smatrati i putnicima kroz vrijeme. Međutim, ovo putovanje je toliko beznačajno da po povratku kući ni sami astronauti ni njihovi najmiliji ne primjećuju nikakvu suštinsku razliku. Ali to ne negira jedno vrlo zanimljivo pitanje - da li je moguće koristiti gravitacijski utjecaj za putovanje kroz vrijeme, kao što je prikazano u naučnofantastičnim filmovima?
Verovatno ste čuli da gravitacija nije sila. I to je istina. Međutim, ova istina ostavlja mnoga pitanja. Na primjer, obično kažemo da gravitacija "vuče" objekte. Na času fizike su nam rekli da gravitacija vuče objekte prema centru Zemlje. Ali kako je to moguće? Kako gravitacija ne može biti sila, ali ipak privlači objekte?
Prva stvar koju treba razumjeti je da je ispravan izraz "ubrzanje", a ne "privlačnost". U stvari, gravitacija uopšte ne privlači objekte, ona deformiše prostor-vreme (sistem u kojem živimo), objekti prate talase nastale kao rezultat deformacije i ponekad se mogu ubrzati.
Zahvaljujući Albertu Ajnštajnu i njegovoj teoriji relativnosti, znamo da se prostor-vreme menja pod uticajem energije. A najvažniji dio ove jednačine je masa. Energija mase objekta uzrokuje promjenu prostora-vremena. Masa savija prostor-vrijeme, a rezultirajuća savijanja kanališu energiju. Stoga je tačnije misliti o gravitaciji ne kao o sili, već kao o zakrivljenosti prostor-vremena. Baš kao što se gumeni premaz savija pod kuglom za kuglanje, prostor-vrijeme se savija od masivnih objekata.
Kao što automobil putuje cestom s različitim krivinama i zavojima, objekti se kreću po sličnim krivinama i krivinama u prostoru i vremenu. I baš kao što automobil ubrzava niz brdo, masivni objekti stvaraju ekstremne krivine u prostoru i vremenu. Gravitacija je sposobna da ubrza objekte kada uđu u duboke gravitacione bušotine. Ova putanja koju objekti prate kroz prostor-vreme naziva se "geodetska putanja".
Da biste bolje razumjeli kako gravitacija funkcionira i kako može ubrzati objekte, razmotrite lokaciju Zemlje i Mjeseca u odnosu jedan prema drugom. Zemlja je prilično masivan objekat, barem u poređenju sa Mjesecom, a naša planeta uzrokuje savijanje prostora i vremena. Mjesec se okreće oko Zemlje zbog izobličenja u prostoru i vremenu uzrokovanih masom planete. Dakle, Mjesec jednostavno putuje duž rezultirajućeg zavoja u prostor-vremenu, što nazivamo orbitom. Mjesec ne osjeća nikakvu silu koja djeluje na njega, on jednostavno slijedi određeni put koji je nastao.
Don DeYoung
Gravitacija (ili gravitacija) nas drži čvrsto na zemlji i omogućava Zemlji da se okreće oko Sunca. Zahvaljujući ovoj nevidljivoj sili, kiša pada na zemlju, a nivo vode u okeanu svakim danom raste i opada. Gravitacija održava Zemlju u sfernom obliku i također sprječava da naša atmosfera pobjegne u svemir. Čini se da bi ovu silu privlačenja koja se opaža svaki dan naučnici trebali dobro proučiti. Ali ne! Na mnogo načina, gravitacija ostaje najdublja misterija nauke. Ova misteriozna sila je izvanredan primjer koliko je moderno naučno znanje ograničeno.
Šta je gravitacija?
Isaac Newton se za ovo pitanje zanimao još 1686. godine i došao do zaključka da je gravitacija sila privlačenja koja postoji između svih objekata. Shvatio je da je ista sila koja čini da jabuka padne na zemlju u njenoj orbiti. U stvari, Zemljina gravitaciona sila uzrokuje da Mjesec skrene sa svoje ravne putanje za oko jedan milimetar svake sekunde dok kruži oko Zemlje (slika 1). Newtonov univerzalni zakon gravitacije jedno je od najvećih naučnih otkrića svih vremena.
Gravitacija je "konop" koji drži objekte u orbiti
Slika 1. Ilustracija mjesečeve orbite, nije nacrtana u mjerilu. Svake sekunde mjesec prijeđe otprilike 1 km. Na ovoj udaljenosti odstupa od ravne putanje za oko 1 mm - to se događa zbog gravitacijske sile Zemlje (isprekidana linija). Čini se da Mjesec stalno zaostaje za (ili oko) Zemlje, baš kao što planete padaju oko Sunca.
Gravitacija je jedna od četiri fundamentalne sile prirode (Tabela 1). Imajte na umu da je od četiri sile ova sila najslabija, a ipak je dominantna u odnosu na velike svemirske objekte. Kao što je Njutn pokazao, privlačna gravitaciona sila između bilo koje dve mase postaje sve manja i manja kako rastojanje između njih postaje sve veće i veće, ali nikada u potpunosti ne dostiže nulu (pogledajte „Dizajn gravitacije“).
Stoga, svaka čestica u cijelom svemiru zapravo privlači svaku drugu česticu. Za razliku od sila slabih i jakih nuklearnih interakcija, sila privlačenja je dalekosežna (tablica 1). Magnetna sila i električna sila su također sile dugog dometa, ali gravitacija je jedinstvena po tome što je i dalekosežna i uvijek privlačna, što znači da nikada ne može nestati (za razliku od elektromagnetizma, u kojem sile mogu ili privlačiti ili odbijati) .
Počevši od velikog naučnika stvaranja Majkla Faradaja 1849. godine, fizičari su neprestano tragali za skrivenom vezom između sile gravitacije i sile elektromagnetne interakcije. Trenutno naučnici pokušavaju spojiti sve četiri fundamentalne sile u jednu jednačinu ili takozvanu „teoriju svega“, ali bezuspješno! Gravitacija ostaje najmisterioznija i najmanje proučavana sila.
Gravitacija se ni na koji način ne može zaštititi. Bez obzira na sastav pregrade koja blokira, ona nema efekta na privlačnost između dva odvojena objekta. To znači da je nemoguće napraviti antigravitacionu komoru u laboratorijskim uslovima. Sila gravitacije ne zavisi od hemijskog sastava predmeta, već zavisi od njihove mase, kod nas poznate kao težina (sila gravitacije na predmet jednaka je težini tog objekta - što je veća masa, veća je sila ili težina.) Blokovi koji se sastoje od stakla, olova, leda ili čak stirofoma, a imaju istu masu, iskusiće (i vršiti) istu gravitacionu silu. Ovi podaci su dobijeni tokom eksperimenata, a naučnici još ne znaju kako se oni teorijski mogu objasniti.
Dizajn u gravitaciji
Sila F između dvije mase m 1 i m 2 koje se nalaze na udaljenosti r može se zapisati kao formula F = (G m 1 m 2)/r 2
Gdje je G gravitacijska konstanta koju je prvi izmjerio Henry Cavendish 1798.1
Ova jednadžba pokazuje da gravitacija opada kako udaljenost, r, između dva objekta postaje veća, ali nikada u potpunosti ne dosegne nulu.
Priroda zakona inverznog kvadrata ove jednadžbe je jednostavno fascinantna. Na kraju krajeva, ne postoji neophodan razlog zašto bi se gravitacija ponašala onako kako djeluje. U neuređenom, nasumičnom i evoluirajućem univerzumu, proizvoljne moći kao što su r 1,97 ili r 2,3 bi se činile vjerovatnijim. Međutim, precizna mjerenja su pokazala tačnu snagu, na najmanje pet decimalnih mjesta, od 2,00000. Kao što je jedan istraživač rekao, ovaj rezultat izgleda "previše precizno".2 Možemo zaključiti da sila gravitacije ukazuje na precizan, kreiran dizajn. U stvari, ako bi stepen odstupio makar malo od 2, orbite planeta i čitavog univerzuma bi postale nestabilne.
Linkovi i bilješke
- Tehnički gledano, G = 6,672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
- Thompsen, D., "Vrlo precizno o gravitaciji", Science News 118(1):13, 1980.
Dakle, šta je zapravo gravitacija? Kako je ova sila u stanju da djeluje u tako ogromnom, praznom prostoru? I zašto uopšte postoji? Nauka nikada nije mogla odgovoriti na ova osnovna pitanja o zakonima prirode. Sila privlačnosti ne može nastati sporo kroz mutaciju ili prirodnu selekciju. Na snazi je od samog početka univerzuma. Kao i svaki drugi fizički zakon, gravitacija je nesumnjivo izvanredan dokaz planiranog stvaranja.
Neki naučnici su pokušali da objasne gravitaciju pomoću nevidljivih čestica, gravitona, koji se kreću između objekata. Drugi su govorili o kosmičkim strunama i gravitacionim talasima. Nedavno su naučnici koji su koristili specijalno kreiranu LIGO laboratoriju (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) bili u mogućnosti da vide samo efekat gravitacionih talasa. Ali priroda ovih valova, kako fizički objekti međusobno djeluju na ogromnim udaljenostima, mijenjajući svoju prednost, i dalje ostaje veliko pitanje za sve. Jednostavno ne znamo porijeklo gravitacijske sile i kako ona održava stabilnost cijelog svemira.
Gravitacija i Sveto pismo
Dva odlomka iz Biblije mogu nam pomoći da razumijemo prirodu gravitacije i fizičke nauke općenito. Prvi odlomak, Kološanima 1:17, objašnjava da je Hristos "pre svega postoji i sve zavisi od Njega". Grčki glagol stoji (συνισταω sunistao) znači: pridržavati se, držati ili držati zajedno. Grčka upotreba ove riječi izvan Biblije znači posuda koja sadrži vodu. Riječ koja se koristi u knjizi Poslanica Kološanima je u savršenom vremenu, što općenito ukazuje na sadašnje stanje koje je nastalo iz završene prošle radnje. Jedan od fizičkih mehanizama o kojima je riječ očito je sila gravitacije, koju je stvorio Stvoritelj i koja se danas neometano održava. Zamislite samo: ako bi sila gravitacije na trenutak prestala, nesumnjivo bi nastao haos. Sva nebeska tijela, uključujući Zemlju, Mjesec i zvijezde, više se neće držati zajedno. Sve bi se odmah podijelilo na zasebne, male dijelove.
Drugo Sveto pismo, Jevrejima 1:3, izjavljuje da je Hristos “On sve drži riječju svoje moći.” Riječ drži (φερω pherō) opet opisuje podršku ili očuvanje svega, uključujući gravitaciju. Riječ drži, kako se koristi u ovom stihu, znači mnogo više od samo držanja težine. Uključuje kontrolu nad svim pokretima i promjenama koje se dešavaju u svemiru. Ovaj beskrajni zadatak se izvodi kroz svemoćnu Riječ Gospodnju, kroz koju je i sam svemir počeo postojati. Gravitacija, “misteriozna sila” koja ostaje slabo shvaćena nakon četiri stotine godina istraživanja, jedna je od manifestacija ove nevjerovatne božanske brige za svemir.
Distorzije vremena i prostora i crne rupe
Ajnštajnova opšta teorija relativnosti posmatra gravitaciju ne kao silu, već kao zakrivljenost samog prostora u blizini masivnog objekta. Predviđa se da će svjetlost, koja tradicionalno prati ravne linije, biti savijena dok prolazi kroz zakrivljeni prostor. Ovo je prvi put pokazano kada je astronom Sir Arthur Eddington otkrio promjenu u prividnom položaju zvijezde tokom potpunog pomračenja 1919. godine, vjerujući da se svjetlosni zraci savijaju sunčevom gravitacijom.
Opšta teorija relativnosti također predviđa da ako je tijelo dovoljno gusto, njegova gravitacija će toliko iskriviti prostor da svjetlost uopće ne može proći kroz njega. Takvo tijelo upija svjetlost i sve ostalo što je zarobljeno njegovom jakom gravitacijom, a naziva se crna rupa. Takvo tijelo može se otkriti samo po njegovim gravitacijskim efektima na druge objekte, po snažnom savijanju svjetlosti oko njega i po jakom zračenju koje emituje materija koja pada na njega.
Sva materija unutar crne rupe je komprimirana u centru, koji ima beskonačnu gustinu. „Veličina“ rupe je određena horizontom događaja, tj. granica koja okružuje centar crne rupe i ništa (čak ni svjetlost) ne može pobjeći izvan nje. Poluprečnik rupe naziva se Schwarzschild radijus, prema njemačkom astronomu Karlu Schwarzschildu (1873–1916), a izračunava se po formuli RS = 2GM/c 2, gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu. Kada bi sunce palo u crnu rupu, njegov Schwarzschildov radijus bio bi samo 3 km.
Postoje dobri dokazi da nakon što masivnoj zvijezdi ponestane nuklearnog goriva, ona više ne može odoljeti da se uruši pod svojom ogromnom težinom i padne u crnu rupu. Smatra se da crne rupe sa masom od milijardi sunaca postoje u centrima galaksija, uključujući našu galaksiju, Mliječni put. Mnogi naučnici veruju da super-svetli i veoma udaljeni objekti koji se nazivaju kvazari koriste energiju koja se oslobađa kada materija padne u crnu rupu.
Prema predviđanjima opšte teorije relativnosti, gravitacija takođe iskrivljuje vreme. To su potvrdili i vrlo precizni atomski satovi, koji na nivou mora rade nekoliko mikrosekundi sporije nego u područjima iznad nivoa mora, gdje je Zemljina gravitacija nešto slabija. U blizini horizonta događaja ovaj fenomen je uočljiviji. Ako promatramo sat astronauta kako se približava horizontu događaja, vidjet ćemo da sat radi sporije. Jednom u horizontu događaja, sat će stati, ali ga nikada nećemo moći vidjeti. S druge strane, astronaut neće primijetiti da njegov sat radi sporije, ali će vidjeti da naš sat radi sve brže i brže.
Glavna opasnost za astronauta u blizini crne rupe bile bi plimne sile uzrokovane činjenicom da je gravitacija jača na dijelovima tijela koji su bliže crnoj rupi nego na dijelovima koji su udaljeniji od nje. Snaga plimnih sila u blizini crne rupe sa masom zvijezde jača je od bilo kojeg uragana i lako kida na male komadiće sve što im se nađe na putu. Međutim, dok se gravitacijsko privlačenje smanjuje s kvadratom udaljenosti (1/r 2), utjecaj plime opada sa kubom udaljenosti (1/r 3). Stoga je, suprotno uobičajenoj mudrosti, gravitacijska sila (uključujući silu plime) na horizontima događaja velikih crnih rupa slabija nego kod malih crnih rupa. Tako bi plimne sile na horizontu događaja crne rupe u vidljivom prostoru bile manje uočljive od najblažeg povjetarca.
Protezanje vremena gravitacijom u blizini horizonta događaja je osnova novog kosmološkog modela fizičara kreacije dr. Russell Humphreysa, koji on opisuje u svojoj knjizi Starlight and Time. Ovaj model može pomoći u rješavanju problema kako možemo vidjeti svjetlost udaljenih zvijezda u mladom svemiru. Osim toga, danas je to naučna alternativa nebiblijskoj, koja se zasniva na filozofskim pretpostavkama koje nadilaze okvire nauke.
Bilješka
Gravitacija, "misteriozna sila" koja, čak i nakon četiri stotine godina istraživanja, ostaje slabo shvaćena...
Isak Njutn (1642–1727)
Foto: Wikipedia.org
Isak Njutn (1642–1727)
Isaac Newton objavio je svoja otkrića o gravitaciji i kretanju nebeskih tijela 1687. godine, u svom poznatom djelu " Matematički principi" Neki čitaoci su brzo zaključili da Njutnov univerzum ne ostavlja mesta Bogu, jer se sada sve može objasniti pomoću jednačina. Ali Njutn uopšte nije tako mislio, kao što je rekao u drugom izdanju ovog čuvenog dela:
“Naš najljepši solarni sistem, planete i komete mogu biti samo rezultat plana i dominacije jednog inteligentnog i moćnog bića.”
Isak Njutn nije bio samo naučnik. Pored nauke, skoro ceo svoj život posvetio je proučavanju Biblije. Njegove omiljene biblijske knjige bile su Danielova knjiga i Knjiga Otkrivenja, koje opisuju Božje planove za budućnost. Zapravo, Newton je napisao više teoloških djela nego naučnih.
Njutn je poštovao druge naučnike kao što je Galileo Galilej. Inače, Newton je rođen iste godine kada je umro Galileo, 1642. godine. Njutn je u svom pismu napisao: „Ako sam video dalje od drugih, to je bilo zato što sam stajao ramena divovi." Nedugo prije smrti, vjerovatno razmišljajući o misteriji gravitacije, Newton je skromno napisao: “Ne znam kako me svijet doživljava, ali sam sebi djelujem samo kao dječak koji se igra na obali mora, koji se zabavlja pronalazeći povremeno šareniji kamenčić od ostalih, ili prelijepu školjku, dok ogroman okean neistražene istine."
Njutn je sahranjen u Vestminsterskoj opatiji. Latinski natpis na njegovom grobu završava se riječima: “Neka se smrtnici raduju što je među njima živio takav ukras ljudske rase.”.
Čak je i osoba koju ne zanima svemir barem jednom pogledala film o svemirskim putovanjima ili pročitala o takvim stvarima u knjigama. U skoro svim ovakvim radovima ljudi hodaju po brodu, spavaju normalno i nemaju problema s jelom. To znači da ovi - izmišljeni - brodovi imaju umjetnu gravitaciju. Većina gledatelja ovo doživljava kao nešto sasvim prirodno, ali to uopće nije tako.
Umjetna gravitacija
Ovo je naziv za promjenu (u bilo kojem smjeru) gravitacije koja nam je poznata korištenjem različitih metoda. I to se ne radi samo u naučnofantastičnim djelima, već iu vrlo stvarnim zemaljskim situacijama, najčešće za eksperimente.
U teoriji, stvaranje umjetne gravitacije ne izgleda tako teško. Na primjer, može se ponovo stvoriti pomoću inercije, tačnije, potreba za ovom silom nije se pojavila jučer - to se dogodilo odmah, čim je osoba počela sanjati o dugotrajnim svemirskim letovima. Stvaranje umjetne gravitacije u svemiru omogućit će izbjegavanje mnogih problema koji nastaju tokom dužih perioda bestežinskog stanja. Mišići astronauta slabe, a kosti postaju manje jake. Putovanje u takvim uslovima mjesecima može uzrokovati atrofiju nekih mišića.
Dakle, danas je stvaranje umjetne gravitacije zadatak od najveće važnosti bez ove vještine;
Materijal
Čak i oni koji poznaju fiziku samo na nivou školskog programa razumiju da je gravitacija jedan od osnovnih zakona našeg svijeta: sva tijela međusobno djeluju, doživljavajući međusobnu privlačnost/odbijanje. Što je tijelo veće, to je veća njegova gravitacijska sila.
Zemlja je za našu stvarnost veoma masivan objekat. Zato je privlače sva tijela oko nje, bez izuzetka.
Za nas to znači, koje se obično mjeri u g, jednako 9,8 metara po kvadratnoj sekundi. To znači da bismo bez oslonca pod nogama pali brzinom koja se svake sekunde povećava za 9,8 metara.
Dakle, samo zahvaljujući gravitaciji možemo normalno stajati, pasti, jesti i piti, razumjeti gdje je gore, a gdje dolje. Ako gravitacija nestane, naći ćemo se u bestežinskom stanju.
Kosmonautima koji se nađu u svemiru u stanju letenja - slobodnog pada - ovaj fenomen je posebno poznat.
Teoretski, naučnici znaju kako stvoriti umjetnu gravitaciju. Postoji nekoliko metoda.
Velika masa
Najlogičnija opcija je učiniti ga toliko velikim da se na njemu pojavi umjetna gravitacija. Na brodu ćete se moći osjećati ugodno, jer se orijentacija u prostoru neće izgubiti.
Nažalost, ova metoda je nerealna s razvojem moderne tehnologije. Za izgradnju takvog objekta potrebno je previše resursa. Osim toga, njegovo podizanje zahtijevalo bi nevjerovatnu količinu energije.
Ubrzanje
Čini se da ako želite postići g jednak onome na Zemlji, samo trebate dati brodu ravan (platformski) oblik i natjerati ga da se kreće okomito na ravninu s potrebnim ubrzanjem. Na taj način će se dobiti vještačka gravitacija, i to idealna gravitacija.
Međutim, u stvarnosti je sve mnogo komplikovanije.
Prije svega, vrijedi razmotriti pitanje goriva. Da bi stanica stalno ubrzavala, potrebno je imati neprekidno napajanje. Čak i ako se iznenada pojavi motor koji ne izbacuje materiju, zakon održanja energije će ostati na snazi.
Drugi problem je sama ideja stalnog ubrzanja. Prema našem znanju i fizičkim zakonima, nemoguće je ubrzavati u nedogled.
Osim toga, takvo vozilo nije prikladno za istraživačke misije, jer mora stalno ubrzavati - letjeti. Neće moći da stane da bi proučavao planetu, neće moći čak ni da je polako obleti – mora da ubrza.
Dakle, postaje jasno da nam takva umjetna gravitacija još nije dostupna.
Carousel
Svi znaju kako rotacija vrtuljka utječe na tijelo. Stoga se čini da je uređaj s umjetnom gravitacijom zasnovan na ovom principu najrealniji.
Sve što je unutar prečnika vrtuljka teži da ispadne iz njega brzinom približno jednakom brzini rotacije. Ispostavilo se da na tijela djeluje sila usmjerena duž polumjera rotirajućeg objekta. Vrlo je sličan gravitaciji.
Dakle, potreban je brod cilindričnog oblika. Istovremeno, mora se rotirati oko svoje ose. Inače, umjetna gravitacija na svemirskom brodu, stvorena po ovom principu, često se demonstrira u naučnofantastičnim filmovima.
Brod u obliku bačve, rotirajući oko svoje uzdužne ose, stvara centrifugalnu silu čiji smjer odgovara polumjeru objekta. Da biste izračunali rezultirajuće ubrzanje, morate podijeliti silu s masom.
U ovoj formuli, rezultat proračuna je ubrzanje, prva varijabla je čvorna brzina (mjerena u radijanima u sekundi), druga je radijus.
Prema tome, da bismo dobili g na koji smo navikli, potrebno je pravilno kombinirati radijus svemirskog transporta.
Sličan problem naglašen je u filmovima kao što su Intersolah, Babilon 5, 2001: Odiseja u svemiru i sl. U svim ovim slučajevima, umjetna gravitacija je bliska Zemljinom ubrzanju zbog gravitacije.
Koliko god ideja bila dobra, prilično ju je teško realizirati.
Problemi sa metodom vrteške
Najočigledniji problem je naglašen u Odiseji u svemiru. Radijus "svemirskog nosača" je oko 8 metara. Da bi se dobilo ubrzanje od 9,8, rotacija se mora odvijati brzinom od približno 10,5 okretaja svake minute.
Na ovim vrijednostima pojavljuje se "Coriolisov efekat", koji se sastoji u tome da različite sile djeluju na različitim udaljenostima od poda. To direktno zavisi od ugaone brzine.
Ispostavilo se da će se u svemiru stvoriti umjetna gravitacija, ali prebrzo rotiranje tijela će dovesti do problema s unutrašnjim uhom. To pak uzrokuje poremećaj ravnoteže, probleme s vestibularnim aparatom i druge - slične - poteškoće.
Pojava ove prepreke sugerira da je ovakav model krajnje neuspješan.
Možete pokušati ići od suprotnog, kao što su to učinili u romanu “Svijet prstenova”. Ovdje je brod napravljen u obliku prstena, čiji je polumjer blizak poluprečniku naše orbite (oko 150 miliona km). Na ovoj veličini, njegova brzina rotacije je dovoljna da zanemari Coriolisov efekat.
Moglo bi se pretpostaviti da je problem riješen, ali to uopće nije slučaj. Činjenica je da puna revolucija ove strukture oko svoje ose traje 9 dana. To sugerira da će opterećenja biti prevelika. Da bi ih konstrukcija izdržala potreban je vrlo čvrst materijal kojim danas nemamo na raspolaganju. Uz to, problem je i količina materijala i sam proces izgradnje.
U igricama slične tematike, kao u filmu “Babylon 5”, ovi problemi su nekako riješeni: brzina rotacije je sasvim dovoljna, Coriolisov efekat nije značajan, hipotetički je moguće napraviti takav brod.
Međutim, čak i takvi svjetovi imaju nedostatak. Njegovo ime je ugaoni moment.
Brod se, rotirajući oko svoje ose, pretvara u ogroman žiroskop. Kao što znate, izuzetno je teško natjerati žiroskop da odstupi od svoje ose zbog činjenice da je važno da njegova količina ne napusti sistem. To znači da će biti vrlo teško dati smjer ovom objektu. Međutim, ovaj problem se može riješiti.
Rješenje
Umjetna gravitacija na svemirskoj stanici postaje dostupna kada O'Neill cilindar priskoči u pomoć. Za kreiranje ovog dizajna potrebni su identični cilindrični brodovi, koji su povezani duž osi. Trebali bi se rotirati u različitim smjerovima. Rezultat takvog sklopa je nula ugaonog momenta, tako da ne bi trebalo biti poteškoća u davanju broda u traženom smjeru.
Ako je moguće napraviti brod sa radijusom od oko 500 metara, onda će raditi tačno kako treba. Istovremeno, umjetna gravitacija u svemiru bit će prilično udobna i pogodna za duge letove na brodovima ili istraživačkim stanicama.
Space Engineers
Kreatori igre znaju kako stvoriti umjetnu gravitaciju. Međutim, u ovom svijetu mašte, gravitacija nije uzajamno privlačenje tijela, već linearna sila dizajnirana da ubrza objekte u datom smjeru. Privlačnost ovdje nije apsolutna, ona se mijenja kada se izvor preusmjeri.
Umjetna gravitacija na svemirskoj stanici se stvara korištenjem posebnog generatora. Ujednačen je i jednakosmjeran u opsegu generatora. Dakle, u stvarnom svijetu, ako ste ušli ispod broda s instaliranim generatorom, bili biste povučeni prema trupu. Međutim, u igri će heroj pasti sve dok ne napusti perimetar uređaja.
Danas je čovječanstvu nedostupna umjetna gravitacija u svemiru stvorena takvim uređajem. Međutim, čak ni sjedokosi programeri ne prestaju sanjati o tome.
Sferni generator
Ovo je realističnija opcija opreme. Kada je instaliran, gravitacija je usmjerena prema generatoru. To omogućava stvaranje stanice čija će gravitacija biti jednaka planetarnoj.
Centrifuga
Danas se umjetna gravitacija na Zemlji nalazi u raznim uređajima. Zasnovani su, uglavnom, na inerciji, jer tu silu osjećamo na sličan način kao i gravitacijski utjecaj - tijelo ne razlikuje koji uzrok uzrokuje ubrzanje. Na primjer: osoba koja se penje u liftu doživljava utjecaj inercije. Očima fizičara: podizanje lifta dodaje ubrzanje kabine ubrzanju slobodnog pada. Kada se kabina vrati u izmjereno kretanje, "dobitak" na težini nestaje, vraćajući uobičajene senzacije.
Naučnici su dugo bili zainteresovani za veštačku gravitaciju. U te svrhe najčešće se koristi centrifuga. Ova metoda je pogodna ne samo za svemirske letjelice, već i za zemaljske stanice gdje je potrebno proučavati efekte gravitacije na ljudsko tijelo.
Učite na Zemlji, prijavite se u...
Iako je proučavanje gravitacije počelo u svemiru, to je vrlo zemaljska nauka. I danas je napredak u ovoj oblasti našao svoju primjenu, na primjer, u medicini. Znajući da li je moguće stvoriti umjetnu gravitaciju na planeti, može se koristiti za liječenje problema s mišićno-koštanim ili nervnim sistemom. Štaviše, proučavanje ove sile provodi se prvenstveno na Zemlji. To omogućava astronautima da sprovode eksperimente dok su pod strogom pažnjom lekara. Umjetna gravitacija u svemiru je druga stvar, tamo nema ljudi koji mogu pomoći astronautima u slučaju nepredviđene situacije.
Imajući u vidu potpunu bestežinsko stanje, ne može se uzeti u obzir satelit koji se nalazi u niskoj orbiti Zemlje. Na ove objekte, iako u maloj mjeri, utječe gravitacija. Sila gravitacije koja nastaje u takvim slučajevima naziva se mikrogravitacija. Prava gravitacija se doživljava samo u vozilu koje leti konstantnom brzinom u svemiru. Međutim, ljudsko tijelo ne osjeća ovu razliku.
Možete doživjeti bestežinsko stanje tokom skoka u dalj (prije nego što se nadstrešnica otvori) ili tokom paraboličnog spuštanja aviona. Takvi eksperimenti se često izvode u SAD-u, ali u avionu ovaj osjećaj traje samo 40 sekundi - ovo je prekratko za potpunu studiju.
U SSSR-u su još 1973. znali da li je moguće stvoriti umjetnu gravitaciju. I ne samo da su ga stvorili, već su ga i na neki način promijenili. Upečatljiv primjer umjetnog smanjenja gravitacije je suho uranjanje, uranjanje. Da biste postigli željeni efekat, potrebno je postaviti debeli film na površinu vode. Osoba je postavljena na njega. Pod težinom tijela tijelo tone pod vodom, ostavljajući samo glavu iznad. Ovaj model demonstrira prirodu okeana bez podrške i niske gravitacije.
Nema potrebe ići u svemir da biste iskusili suprotnu silu bestežinskog stanja - hipergravitaciju. Kada svemirska letjelica poleti i sleti u centrifugu, preopterećenje se može ne samo osjetiti, već i proučavati.
Tretman gravitacijom
Gravitaciona fizika takođe proučava efekte bestežinskog stanja na ljudsko telo, pokušavajući da minimizira posledice. Međutim, veliki broj dostignuća ove nauke može biti od koristi i običnim stanovnicima planete.
Doktori polažu velike nade u istraživanje ponašanja mišićnih enzima kod miopatije. Ovo je ozbiljna bolest koja vodi do rane smrti.
Tijekom aktivnog fizičkog vježbanja, u krv zdrave osobe ulazi velika količina enzima kreatin fosfokinaze. Razlog za ovu pojavu je nejasan, možda opterećenje djeluje na ćelijsku membranu na način da ona postaje „rupasta“. Pacijenti s miopatijom imaju isti učinak bez vježbanja. Promatranja astronauta pokazuju da je u bestežinskom stanju protok aktivnog enzima u krv značajno smanjen. Ovo otkriće sugerira da će korištenje imerzije smanjiti negativan utjecaj faktora koji dovode do miopatije. Trenutno se izvode eksperimenti na životinjama.
Liječenje nekih bolesti se već provodi korištenjem podataka dobivenih proučavanjem gravitacije, uključujući i umjetnu gravitaciju. Na primjer, liječenje cerebralne paralize, moždanog udara i Parkinsonove bolesti provodi se korištenjem odijela za stres. Istraživanje pozitivnih efekata potpore, pneumatske cipele, skoro je završeno.
Hoćemo li letjeti na Mars?
Najnovija dostignuća astronauta daju nadu u realnost projekta. Postoji iskustvo u pružanju medicinske podrške osobi tokom dugog boravka daleko od Zemlje. Istraživački letovi na Mjesec, gdje je gravitacijska sila 6 puta manja od naše, također su donijeli mnogo koristi. Sada astronauti i naučnici sebi postavljaju novi cilj - Mars.
Prije nego što stanete u red za kartu za Crvenu planetu, trebali biste znati šta čeka tijelo već u prvoj fazi rada - na putu. U prosjeku, put do pustinjske planete trajat će godinu i po dana - oko 500 dana. Na putu ćete se morati osloniti samo na vlastite snage; jednostavno nema gdje čekati pomoć.
Mnogi faktori će potkopati vašu snagu: stres, zračenje, nedostatak magnetnog polja. Najvažniji test za tijelo je promjena gravitacije. Tokom putovanja, osoba će se „upoznati“ sa nekoliko nivoa gravitacije. Prije svega, to su preopterećenja prilikom polijetanja. Zatim - bestežinsko stanje tokom leta. Nakon ovoga - hipogravitacija na odredištu, pošto je gravitacija na Marsu manja od 40% Zemljine.
Kako se nosite s negativnim efektima bestežinskog stanja na dugom letu? Nadamo se da će razvoj u oblasti umjetne gravitacije pomoći u rješavanju ovog problema u bliskoj budućnosti. Eksperimenti na pacovima koji putuju na Cosmos 936 pokazuju da ova tehnika ne rješava sve probleme.
Iskustvo OS je pokazalo da korištenje kompleksa za obuku koji mogu odrediti potrebno opterećenje za svakog astronauta pojedinačno može donijeti mnogo veće koristi za tijelo.
Za sada se veruje da na Mars neće leteti samo istraživači, već i turisti koji žele da osnuju koloniju na Crvenoj planeti. Za njih će, barem po prvi put, osjećaji u bestežinskom stanju nadjačati sve argumente ljekara o opasnostima dužeg boravka u takvim uslovima. Međutim, za nekoliko sedmica i njima će biti potrebna pomoć, zbog čega je toliko važno pronaći način za stvaranje umjetne gravitacije na svemirskom brodu.
Rezultati
Koji se zaključci mogu izvući o stvaranju umjetne gravitacije u svemiru?
Među svim opcijama koje se trenutno razmatraju, rotirajuća struktura izgleda najrealnije. Međutim, sa trenutnim razumijevanjem fizičkih zakona, to je nemoguće, jer brod nije šuplji cilindar. Unutra postoje preklapanja koja ometaju implementaciju ideja.
Osim toga, radijus broda mora biti toliko velik da Coriolisov efekat nema značajan učinak.
Da biste kontrolirali nešto poput ovoga, potreban vam je gore spomenuti O'Neill cilindar, koji će vam dati mogućnost upravljanja brodom. U ovom slučaju povećavaju se šanse za korištenje takvog dizajna za međuplanetarne letove, dok se posadi pruža udoban nivo gravitacije.
Prije nego što čovječanstvo uspije ostvariti svoje snove, želio bih vidjeti malo više realizma i još više znanja o zakonima fizike u naučnofantastičnim djelima.
Najvažniji fenomen koji fizičari stalno proučavaju je pokret. Elektromagnetne pojave, zakoni mehanike, termodinamički i kvantni procesi - sve je to širok raspon fragmenata svemira koje proučava fizika. I svi se ti procesi svode, na ovaj ili onaj način, na jedno – na.
U kontaktu sa
Sve se u Univerzumu kreće. Gravitacija je uobičajena pojava za sve ljude od djetinjstva; mi smo rođeni u gravitacijskom polju naše planete;
Ali, nažalost, postavlja se pitanje zašto i kako se sva tijela privlače, do danas nije u potpunosti otkriven, iako je nadaleko proučavan.
U ovom članku ćemo pogledati što je univerzalna privlačnost prema Newtonu - klasičnoj teoriji gravitacije. Međutim, prije nego što pređemo na formule i primjere, govorit ćemo o suštini problema privlačnosti i dati mu definiciju.
Možda je proučavanje gravitacije postalo početak prirodne filozofije (nauka o razumijevanju suštine stvari), možda je prirodna filozofija dovela do pitanja o suštini gravitacije, ali, na ovaj ili onaj način, pitanje gravitacije tijela zainteresovao se za antičku Grčku.
Kretanje je shvaćeno kao suština senzorne karakteristike tijela, odnosno tijelo se kretalo dok ga posmatrač vidi. Ako ne možemo izmjeriti, izmjeriti ili osjetiti neki fenomen, znači li to da taj fenomen ne postoji? Naravno, to ne znači to. A pošto je Aristotel ovo shvatio, počela su razmišljanja o suštini gravitacije.
Kako se danas ispostavilo, nakon mnogo desetina vekova, gravitacija je osnova ne samo gravitacije i privlačenja naše planete, već i osnova za nastanak Univerzuma i gotovo svih postojećih elementarnih čestica.
Zadatak kretanja
Hajde da izvedemo misaoni eksperiment. Uzmimo malu loptu u lijevu ruku. Uzmimo isti sa desne strane. Pustimo desnu loptu i ona će početi da pada. Lijeva ostaje u ruci, i dalje je nepomična.
Zaustavimo mentalno protok vremena. Desna lopta koja pada „visi“ u vazduhu, leva i dalje ostaje u ruci. Desna lopta je obdarena "energijom" kretanja, lijeva nije. Ali koja je duboka, značajna razlika između njih?
Gdje, u kom dijelu padajuće lopte piše da treba da se kreće? Ima istu masu, isti volumen. Ima iste atome i ne razlikuju se od atoma loptice u mirovanju. Lopta ima? Da, ovo je tačan odgovor, ali kako lopta zna šta ima potencijalnu energiju, gdje je u njoj zabilježena?
Upravo je to zadatak koji su sebi postavili Aristotel, Newton i Albert Einstein. I sva tri briljantna mislioca su djelimično riješila ovaj problem za sebe, ali danas postoji niz pitanja koja zahtijevaju rješavanje.
Newtonova gravitacija
1666. godine najveći engleski fizičar i mehaničar I. Newton otkrio je zakon koji može kvantitativno izračunati silu zbog koje sva materija u Univerzumu teži jedna drugoj. Ovaj fenomen se naziva univerzalna gravitacija. Kada vas pitaju: “Formulirajte zakon univerzalne gravitacije”, vaš odgovor bi trebao zvučati ovako:
Smještena je sila gravitacijske interakcije koja doprinosi privlačenju dvaju tijela u direktnoj proporciji sa masama ovih tijela i obrnuto proporcionalno udaljenosti između njih.
Bitan! Newtonov zakon privlačenja koristi termin "udaljenost". Ovaj pojam ne treba shvatiti kao udaljenost između površina tijela, već kao udaljenost između njihovih centara gravitacije. Na primjer, ako dvije kugle polumjera r1 i r2 leže jedna na drugu, tada je udaljenost između njihovih površina nula, ali postoji privlačna sila. Stvar je u tome da je rastojanje između njihovih centara r1+r2 različito od nule. Na kosmičkoj skali, ovo pojašnjenje nije važno, ali za satelit u orbiti, ova udaljenost je jednaka visini iznad površine plus poluprečnik naše planete. Udaljenost između Zemlje i Mjeseca se također mjeri kao udaljenost između njihovih centara, a ne njihovih površina.
Za zakon gravitacije formula je sljedeća:
,
- F – sila privlačenja,
- – mase,
- r – udaljenost,
- G – gravitaciona konstanta jednaka 6,67·10−11 m³/(kg·s²).
Šta je težina, ako samo pogledamo silu gravitacije?
Sila je vektorska veličina, ali se u zakonu univerzalne gravitacije tradicionalno piše kao skalar. Na vektorskoj slici zakon će izgledati ovako:
.
Ali to ne znači da je sila obrnuto proporcionalna kocki udaljenosti između centara. Relaciju treba shvatiti kao jedinični vektor usmjeren od jednog centra do drugog:
.
Zakon gravitacijske interakcije
Težina i gravitacija
Uzimajući u obzir zakon gravitacije, može se shvatiti da nas lično ne čudi osjećamo gravitaciju Sunca mnogo slabiju od Zemljine. Iako masivno Sunce ima veliku masu, veoma je daleko od nas. je takođe daleko od Sunca, ali ga privlači, jer ima veliku masu. Kako pronaći gravitacionu silu dva tijela, odnosno kako izračunati gravitacijsku silu Sunca, Zemlje i tebe i mene - ovim ćemo se pitanjem baviti malo kasnije.
Koliko znamo, sila gravitacije je:
gdje je m naša masa, a g ubrzanje slobodnog pada Zemlje (9,81 m/s 2).
Bitan! Ne postoje dvije, tri, deset vrsta privlačnih sila. Gravitacija je jedina sila koja daje kvantitativnu karakteristiku privlačnosti. Težina (P = mg) i gravitaciona sila su ista stvar.
Ako je m naša masa, M masa globusa, R njegov polumjer, tada je gravitacijska sila koja djeluje na nas jednaka:
Dakle, budući da je F = mg:
.
Mase m se smanjuju, a izraz za ubrzanje slobodnog pada ostaje:
Kao što vidimo, ubrzanje gravitacije je zaista konstantna vrijednost, budući da njegova formula uključuje konstantne količine - polumjer, masu Zemlje i gravitacionu konstantu. Zamjenom vrijednosti ovih konstanti osiguravamo da je ubrzanje gravitacije jednako 9,81 m/s 2.
Na različitim geografskim širinama, radijus planete je malo drugačiji, jer Zemlja još uvijek nije savršena sfera. Zbog toga je ubrzanje slobodnog pada na pojedinim tačkama na kugli zemaljskoj različito.
Vratimo se na privlačnost Zemlje i Sunca. Pokušajmo na primjeru dokazati da globus privlači tebe i mene jače od Sunca.
Radi praktičnosti, uzmimo masu osobe: m = 100 kg. onda:
- Udaljenost između osobe i globusa jednaka je poluprečniku planete: R = 6,4∙10 6 m.
- Masa Zemlje je: M ≈ 6∙10 24 kg.
- Masa Sunca je: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
- Udaljenost između naše planete i Sunca (između Sunca i čovjeka): r=15∙10 10 m.
Gravitaciono privlačenje između čoveka i Zemlje:
Ovaj rezultat je sasvim očigledan iz jednostavnijeg izraza za težinu (P = mg).
Sila gravitacijske privlačnosti između čovjeka i Sunca:
Kao što vidimo, naša planeta nas privlači skoro 2000 puta jače.
Kako pronaći silu privlačenja između Zemlje i Sunca? na sljedeći način:
Sada vidimo da Sunce privlači našu planetu više od milijardu milijardi puta jače nego što planeta privlači tebe i mene.
Prva brzina bijega
Nakon što je Isaac Newton otkrio zakon univerzalne gravitacije, zainteresirao se koliko brzo se tijelo mora baciti da bi, savladavši gravitacijsko polje, zauvijek napustilo globus.
Istina, on je to zamišljao malo drugačije, po njegovom shvatanju to nije bila vertikalno stojeća raketa uperena u nebo, već telo koje je horizontalno skočilo sa vrha planine. Ovo je bila logična ilustracija jer Na vrhu planine sila gravitacije je nešto manja.
Dakle, na vrhu Everesta, ubrzanje gravitacije neće biti uobičajenih 9,8 m/s 2 , već skoro m/s 2 . Iz tog razloga je zrak tamo toliko rijedak da čestice zraka više nisu tako vezane za gravitaciju kao one koje su „pale“ na površinu.
Pokušajmo saznati koja je brzina bijega.
Prva izlazna brzina v1 je brzina kojom tijelo napušta površinu Zemlje (ili druge planete) i ulazi u kružnu orbitu.
Pokušajmo saznati brojčanu vrijednost ove vrijednosti za našu planetu.
Zapišimo drugi Newtonov zakon za tijelo koje rotira oko planete po kružnoj orbiti:
,
gdje je h visina tijela iznad površine, R je poluprečnik Zemlje.
U orbiti, tijelo je podložno centrifugalnom ubrzanju, dakle:
.
Mase se smanjuju, dobijamo:
,
Ova brzina se zove prva brzina bijega:
Kao što vidite, brzina bijega je apsolutno nezavisna od tjelesne mase. Dakle, svaki objekat ubrzan do brzine od 7,9 km/s će napustiti našu planetu i ući u njenu orbitu.
Prva brzina bijega
Druga brzina bijega
Međutim, čak i kada smo ubrzali tijelo do prve izlazne brzine, nećemo moći u potpunosti prekinuti njegovu gravitacijsku vezu sa Zemljom. Zbog toga nam je potrebna druga brzina bijega. Kada se postigne ova brzina tijelo napušta gravitaciono polje planete i sve moguće zatvorene orbite.
Bitan!Često se pogrešno veruje da su astronauti, da bi došli do Meseca, morali da dostignu drugu brzinu bekstva, jer su se prvo morali "isključiti" iz gravitacionog polja planete. Nije tako: par Zemlja-Mjesec je u Zemljinom gravitacionom polju. Njihovo zajedničko težište je unutar globusa.
Da bismo pronašli ovu brzinu, postavimo problem malo drugačije. Recimo da tijelo leti iz beskonačnosti na planetu. Pitanje: koja će se brzina postići na površini pri slijetanju (bez uzimanja u obzir atmosfere, naravno)? To je upravo ta brzina telo će morati da napusti planetu.
Zakon univerzalne gravitacije. Fizika 9. razred
Zakon univerzalne gravitacije.
Zaključak
Saznali smo da iako je gravitacija glavna sila u svemiru, mnogi razlozi za ovaj fenomen i dalje ostaju misterija. Naučili smo šta je Newtonova sila univerzalne gravitacije, naučili da je izračunamo za različita tijela, a također smo proučavali neke korisne posljedice koje proizlaze iz takvog fenomena kao što je univerzalni zakon gravitacije.