Legge di attrazione gravitazionale. Gravità terrestre
Per prima cosa impariamo a conoscere il concetto di gravità a scuola. Lì di solito ci viene detto che esiste una forza così sorprendente che tiene tutti sulla Terra, e solo grazie ad essa non voliamo nello spazio e non camminiamo a testa in giù. Qui praticamente finisce il divertimento, perché a scuola ci vengono raccontate solo le cose più elementari e semplici. In realtà si discute molto sulla gravità universale, gli scienziati propongono nuove teorie e idee e ci sono molte più sfumature di quanto si possa immaginare. In questa raccolta troverai diversi fatti e teorie molto interessanti sull'influenza gravitazionale, che non erano inclusi nel curriculum scolastico o sono diventati noti non molto tempo fa.
10. La gravità è una teoria, non una legge provata.
C'è un mito secondo cui la gravità è una legge. Se provi a fare una ricerca online su questo argomento, qualsiasi motore di ricerca ti offrirà molti link sulla Legge di Gravitazione Universale di Newton. Tuttavia, nella comunità scientifica, leggi e teorie sono concetti completamente diversi. Una legge scientifica è un fatto inconfutabile basato su dati confermati che spiega chiaramente l'essenza dei fenomeni che si verificano. Una teoria, a sua volta, è una sorta di idea con l'aiuto della quale i ricercatori cercano di spiegare determinati fenomeni.
Se descriviamo l'interazione gravitazionale in termini scientifici, diventa immediatamente del tutto chiaro a una persona relativamente istruita perché la gravità universale è considerata su un piano teorico e non come una legge. Poiché gli scienziati non hanno ancora la capacità di studiare le forze gravitazionali di ogni pianeta, satellite, stella, asteroide e atomo dell'Universo, non abbiamo il diritto di riconoscere la gravità universale come legge.
La sonda robotica Voyager 1 ha percorso 21 miliardi di chilometri, ma anche a una distanza così lontana dalla Terra, è riuscita a malapena a lasciare il nostro sistema planetario. Il volo è durato 40 anni e 4 mesi, e durante tutto questo tempo i ricercatori non hanno ricevuto molti dati per trasferire le riflessioni sulla gravità dal campo teorico alla categoria delle leggi. Il nostro Universo è troppo grande e sappiamo ancora troppo poco...
9. Ci sono molte lacune nella teoria della gravità
Abbiamo già stabilito che la gravità universale è solo un concetto teorico. Inoltre, si scopre che questa teoria presenta ancora molte lacune che indicano chiaramente la sua relativa inferiorità. Molte incongruenze sono state notate non solo all’interno del nostro sistema solare, ma anche qui sulla Terra.
Ad esempio, secondo la teoria della gravità universale sulla Luna, la forza gravitazionale del Sole dovrebbe essere avvertita molto più forte della gravità della Terra. Si scopre che la Luna dovrebbe ruotare attorno al Sole e non attorno al nostro pianeta. Ma sappiamo che la Luna è il nostro satellite, e per questo a volte basta alzare gli occhi al cielo notturno.
A scuola ci raccontarono di Isaac Newton, a cui cadde una mela fatale in testa, ispirandogli l'idea della teoria della gravitazione universale. Anche lo stesso Newton ammise che la sua teoria presentava alcuni difetti. Un tempo fu Newton a diventare l'autore di un nuovo concetto matematico: le flussioni (derivati), che lo aiutarono nella formazione della stessa teoria della gravitazione. Le flussioni potrebbero non sembrarti così familiari, ma alla fine sono saldamente radicate nel mondo delle scienze esatte.
Oggi, nell'analisi matematica, viene spesso utilizzato il metodo del calcolo differenziale, basato proprio sulle idee di Newton e del suo collega Leibniz. Tuttavia, anche questa sezione della matematica è piuttosto incompleta e non priva di difetti.
8. Onde gravitazionali
La teoria della relatività generale di Albert Einstein fu proposta nel 1915. Nello stesso periodo apparve l'ipotesi delle onde gravitazionali. Fino al 1974 l’esistenza di queste onde rimase puramente teorica.
Le onde gravitazionali possono essere paragonate alle increspature sulla tela del continuum spazio-temporale, che appaiono come risultato di eventi su larga scala nell'Universo. Tali eventi potrebbero essere una collisione di buchi neri, cambiamenti nella velocità di rotazione di una stella di neutroni o un’esplosione di supernova. Quando accade qualcosa del genere, le forze gravitazionali si diffondono attraverso il continuum spazio-temporale, come le increspature nell'acqua causate da una pietra che vi cade dentro. Queste onde viaggiano attraverso l’Universo alla velocità della luce. Non vediamo eventi catastrofici molto spesso, quindi ci vogliono molti anni per rilevare le onde gravitazionali. Ecco perché gli scienziati hanno impiegato più di 60 anni per dimostrarne l'esistenza.
Da quasi 40 anni gli scienziati studiano le prime prove dell’esistenza delle onde gravitazionali. A quanto pare, queste increspature si verificano durante la fusione di un sistema binario di stelle molto dense e pesanti legate gravitazionalmente, che ruotano attorno a un centro di massa comune. Col passare del tempo, le componenti della stella binaria si avvicinano e la loro velocità diminuisce gradualmente, come previsto da Einstein nella sua teoria. La grandezza delle onde gravitazionali è così piccola che nel 2017 hanno ricevuto addirittura il Premio Nobel per la fisica per la loro rilevazione sperimentale.
7. Buchi neri e gravità
I buchi neri sono uno dei più grandi misteri dell’Universo. Appaiono durante il collasso gravitazionale di una stella abbastanza grande, che diventa una supernova. Quando una supernova esplode, una massa significativa di materiale stellare viene espulsa nello spazio. Ciò che sta accadendo può provocare la formazione di una regione spazio-temporale nello spazio in cui il campo gravitazionale diventa così forte che anche i quanti di luce non sono in grado di lasciare questo luogo (questo buco nero). Non è la gravità in sé a formare i buchi neri, ma svolge comunque un ruolo chiave nell’osservazione e nello studio di queste regioni.
È la gravità dei buchi neri che aiuta gli scienziati a rilevarli nell'Universo. Poiché l’attrazione gravitazionale può essere incredibilmente potente, i ricercatori a volte possono notare i suoi effetti su altre stelle o sui gas che circondano queste regioni. Quando un buco nero risucchia gas, si forma un cosiddetto disco di accrescimento, in cui la materia viene accelerata a velocità così elevate che inizia a produrre intense radiazioni quando viene riscaldata. Questo bagliore può essere rilevato anche nel campo dei raggi X. È stato grazie al fenomeno dell'accrescimento che abbiamo potuto dimostrare l'esistenza dei neri (utilizzando speciali telescopi). Si scopre che se non fosse per la gravità, non sapremmo nemmeno dell’esistenza dei buchi neri.
6. Teoria sulla materia nera e sull'energia nera
Foto: NASA
Circa il 68% dell’Universo è costituito da energia oscura e il 27% è riservato alla materia oscura. In teoria. Nonostante il fatto che nel nostro mondo alla materia oscura e all’energia oscura sia stato assegnato così tanto spazio, sappiamo molto poco di loro.
Presumibilmente sappiamo che l’energia oscura ha una serie di proprietà. Ad esempio, guidati dalla teoria della gravità di Einstein, gli scienziati hanno suggerito che l'energia oscura è in costante espansione. A proposito, inizialmente gli scienziati credevano che la teoria di Einstein li avrebbe aiutati a dimostrare che nel tempo l'influenza gravitazionale rallenta l'espansione dell'Universo. Tuttavia, nel 1998, i dati ottenuti dal telescopio spaziale Hubble hanno dato motivo di credere che l'Universo si stia espandendo solo a una velocità crescente. Allo stesso tempo, gli scienziati sono giunti alla conclusione che la teoria della gravità non è in grado di spiegare i fenomeni fondamentali che si verificano nel nostro Universo. È così che è apparsa l'ipotesi sull'esistenza dell'energia oscura e della materia oscura, progettata per giustificare l'accelerazione dell'espansione dell'Universo.
5. Gravitoni
Foto: pbs.org
A scuola ci viene detto che la gravità è una forza. Ma potrebbe anche trattarsi di qualcosa di più... È possibile che in futuro la gravità venga considerata come una manifestazione di una particella chiamata gravitone.
Ipoteticamente, i gravitoni sono particelle elementari prive di massa che emettono un campo gravitazionale. Ad oggi i fisici non hanno ancora dimostrato l’esistenza di queste particelle, ma hanno già molte teorie sul perché questi gravitoni debbano certamente esistere. Una di queste teorie afferma che la gravità è l'unica forza (delle 4 forze fondamentali della natura o delle interazioni) che non è stata ancora associata ad una singola particella elementare o ad alcuna unità strutturale.
I gravitoni possono esistere, ma riconoscerli è incredibilmente difficile. I fisici suggeriscono che le onde gravitazionali siano costituite proprio da queste sfuggenti particelle. Per rilevare le onde gravitazionali, i ricercatori hanno condotto numerosi esperimenti, in uno dei quali hanno utilizzato specchi e laser. Un rilevatore interferometrico può aiutare a rilevare gli spostamenti degli specchi anche alle distanze più microscopiche, ma sfortunatamente non è in grado di rilevare i cambiamenti associati a particelle minuscole come i gravitoni. In teoria, per un simile esperimento, gli scienziati avrebbero bisogno di specchi così pesanti che, se collassassero, potrebbero apparire dei buchi neri.
In generale, non sembra possibile rilevare o dimostrare l'esistenza dei gravitoni nel prossimo futuro. Per ora, i fisici stanno osservando l’Universo e sperano che sia lì che troveranno le risposte alle loro domande e saranno in grado di rilevare manifestazioni di gravitoni da qualche parte al di fuori dei laboratori a terra.
4. Teoria dei wormhole
Foto: space.com
Wormhole, wormhole o wormhole sono un altro grande mistero dell'Universo. Sarebbe bello entrare in una specie di tunnel spaziale e viaggiare alla velocità della luce per raggiungere un'altra galassia nel più breve tempo possibile. Queste fantasie sono state utilizzate più di una volta nei thriller di fantascienza. Se esistessero davvero dei wormhole nell'Universo, tali salti potrebbero essere del tutto possibili. Al momento gli scienziati non hanno prove dell’esistenza dei wormhole, ma alcuni fisici ritengono che questi ipotetici tunnel possano essere creati manipolando la gravità.
La teoria generale della relatività di Einstein prevede la possibilità di wormhole sconvolgenti. Prendendo in considerazione il lavoro del leggendario scienziato, un altro fisico, Ludwig Flamm, cercò di descrivere come la forza di gravità potesse distorcere lo spazio-tempo in modo tale da formare un nuovo tunnel, un ponte tra una regione del tessuto della realtà fisica e un altro. Naturalmente, ci sono altre teorie.
3. I pianeti hanno anche un'influenza gravitazionale sul Sole
Sappiamo già che il campo gravitazionale del Sole influenza tutti gli oggetti del nostro sistema planetario, ed è per questo che ruotano tutti attorno alla nostra unica stella. Per lo stesso principio, la Terra è collegata alla Luna, ed è per questo che la Luna ruota attorno al nostro pianeta natale.
Tuttavia, ogni pianeta e ogni altro corpo celeste con massa sufficiente nel nostro sistema solare ha anche i propri campi gravitazionali, che influenzano il Sole, gli altri pianeti e tutti gli altri oggetti spaziali. L'entità della forza gravitazionale esercitata dipende dalla massa dell'oggetto e dalla distanza tra i corpi celesti.
Nel nostro sistema solare, è grazie all'interazione gravitazionale che tutti gli oggetti ruotano nelle loro orbite date. L'attrazione gravitazionale più forte, ovviamente, proviene dal Sole. In generale, tutti gli oggetti celesti con massa sufficiente hanno il proprio campo gravitazionale e influenzano altri oggetti con massa significativa, anche se si trovano a una distanza di diversi anni luce.
2. Microgravità
Foto: NASA
Abbiamo tutti visto più di una volta fotografie di astronauti che volavano attraverso le stazioni orbitali o addirittura uscivano dalla navicella spaziale con speciali tute protettive. Probabilmente sei abituato a pensare che questi scienziati di solito cadono nello spazio senza sentire alcuna gravità, perché lì non ce n'è. E ti sbaglieresti di grosso se così fosse. Anche nello spazio esiste la gravità. È consuetudine chiamarla microgravità, perché è quasi impercettibile. È grazie alla microgravità che gli astronauti si sentono leggeri come piume e fluttuano così liberamente nello spazio. Se non esistesse affatto la gravità, i pianeti semplicemente non ruoterebbero attorno al Sole e la Luna avrebbe lasciato l’orbita terrestre molto tempo fa.
Più un oggetto è lontano dal centro di gravità, più debole è la forza di gravità. È la microgravità che agisce sulla ISS, perché tutti gli oggetti sono molto più lontani dal campo gravitazionale della Terra di quanto lo sei tu qui adesso. La gravità si indebolisce anche ad altri livelli. Ad esempio, prendiamo un singolo atomo. Questa è una particella di materia così piccola che sperimenta anche una forza gravitazionale abbastanza modesta. Quando gli atomi si uniscono in gruppi, questa forza, ovviamente, aumenta.
1. Viaggio nel tempo
L’idea del viaggio nel tempo affascina l’umanità da diverso tempo. Molte teorie, inclusa quella della gravità, danno speranza che un giorno tali viaggi diventino effettivamente possibili. Secondo un concetto, la gravità forma una certa curva nel continuum spazio-temporale, che costringe tutti gli oggetti nell'Universo a muoversi lungo una traiettoria curva. Di conseguenza, gli oggetti nello spazio si muovono leggermente più velocemente rispetto agli oggetti sulla Terra. Più precisamente, ecco un esempio: gli orologi dei satelliti spaziali sono ogni giorno 38 microsecondi (0,000038 secondi) avanti rispetto alla sveglia di casa.
Poiché la gravità fa sì che gli oggetti si muovano più velocemente nello spazio che sulla Terra, anche gli astronauti possono essere considerati viaggiatori nel tempo. Tuttavia, questo viaggio è così insignificante che al ritorno a casa né gli stessi astronauti né i loro cari notano alcuna differenza fondamentale. Ma questo non nega una domanda molto interessante: è possibile utilizzare l'influenza gravitazionale per viaggiare nel tempo, come mostrato nei film di fantascienza?
Probabilmente hai sentito che la gravità non è una forza. Ed è vero. Tuttavia, questa verità lascia molte domande. Ad esempio, di solito diciamo che la gravità "tira" gli oggetti. Durante le lezioni di fisica ci è stato detto che la gravità attira gli oggetti verso il centro della Terra. Ma come è possibile? Come può la gravità non essere una forza, ma attrarre comunque gli oggetti?
La prima cosa da capire è che il termine corretto è “accelerazione” e non “attrazione”. La gravità, infatti, non attira affatto gli oggetti, deforma il sistema spazio-temporale (il sistema in cui viviamo), gli oggetti seguono le onde formatesi a seguito della deformazione e talvolta possono accelerare.
Grazie ad Albert Einstein e alla sua teoria della relatività, sappiamo che lo spazio-tempo cambia sotto l'influenza dell'energia. E la parte più importante di questa equazione è la massa. L'energia della massa di un oggetto provoca il cambiamento dello spaziotempo. La massa piega lo spaziotempo e le curve risultanti incanalano l'energia. Pertanto, è più corretto pensare alla gravità non come a una forza, ma come a una curvatura dello spazio-tempo. Proprio come un rivestimento di gomma viene piegato sotto una palla da bowling, lo spazio-tempo viene piegato da oggetti massicci.
Proprio come un'auto viaggia lungo una strada con varie curve e svolte, gli oggetti si muovono lungo curve e curve simili nello spazio e nel tempo. E proprio come un’auto accelera giù da una collina, oggetti massicci creano curve estreme nello spazio e nel tempo. La gravità è in grado di accelerare gli oggetti quando entrano in pozzi gravitazionali profondi. Questo percorso seguito dagli oggetti attraverso lo spaziotempo è chiamato "traiettoria geodetica".
Per comprendere meglio come funziona la gravità e come può accelerare gli oggetti, considera la posizione della Terra e della Luna l'una rispetto all'altra. La Terra è un oggetto abbastanza massiccio, almeno rispetto alla Luna, e il nostro pianeta fa piegare lo spaziotempo. La Luna ruota attorno alla Terra a causa delle distorsioni nello spazio e nel tempo causate dalla massa del pianeta. Pertanto, la Luna percorre semplicemente la curvatura risultante nello spazio-tempo, che chiamiamo orbita. La luna non sente alcuna forza che agisce su di sé, segue semplicemente un certo percorso che si è formato.
Don De Young
La gravità (o gravitazione) ci mantiene saldamente sulla terra e permette alla terra di ruotare attorno al sole. Grazie a questa forza invisibile, la pioggia cade sulla terra e il livello dell'acqua nell'oceano aumenta e diminuisce ogni giorno. La gravità mantiene la terra in una forma sferica e impedisce anche alla nostra atmosfera di fuggire nello spazio. Sembrerebbe che questa forza di attrazione osservata ogni giorno debba essere ben studiata dagli scienziati. Ma no! In molti modi, la gravità rimane il mistero più profondo della scienza. Questa forza misteriosa è un esempio notevole di quanto sia limitata la conoscenza scientifica moderna.
Cos'è la gravità?
Isaac Newton si interessò a questo problema già nel 1686 e giunse alla conclusione che la gravità è la forza di attrazione che esiste tra tutti gli oggetti. Si rese conto che nella sua orbita si trova la stessa forza che fa cadere la mela a terra. Infatti, la forza gravitazionale della Terra fa deviare la Luna dal suo percorso rettilineo di circa un millimetro ogni secondo mentre orbita attorno alla Terra (Figura 1). La Legge di Gravità Universale di Newton è una delle più grandi scoperte scientifiche di tutti i tempi.
La gravità è la “corda” che tiene gli oggetti in orbita
Immagine 1. Illustrazione dell'orbita della Luna, non in scala. Ogni secondo la luna percorre circa 1 km. Su questa distanza si discosta dalla traiettoria rettilinea di circa 1 mm - ciò avviene a causa dell'attrazione gravitazionale della Terra (linea tratteggiata). La luna sembra cadere costantemente dietro (o attorno) alla terra, proprio come i pianeti cadono attorno al sole.
La gravità è una delle quattro forze fondamentali della natura (Tabella 1). Si noti che delle quattro forze, questa forza è la più debole, eppure è dominante rispetto ai grandi oggetti spaziali. Come dimostrò Newton, la forza gravitazionale attrattiva tra due masse qualsiasi diventa sempre più piccola man mano che la distanza tra loro diventa sempre più grande, ma non raggiunge mai completamente lo zero (vedi "La struttura della gravità").
Pertanto, ogni particella nell'intero universo attrae effettivamente ogni altra particella. A differenza delle forze delle interazioni nucleari deboli e forti, la forza di attrazione è a lungo raggio (Tabella 1). Anche la forza magnetica e la forza elettrica sono forze a lungo raggio, ma la gravità è unica in quanto è a lungo raggio e sempre attrattiva, il che significa che non può mai esaurirsi (a differenza dell’elettromagnetismo, in cui le forze possono attrarsi o respingersi). .
A partire dal grande scienziato della creazione Michael Faraday nel 1849, i fisici hanno continuamente cercato la connessione nascosta tra la forza di gravità e la forza dell'interazione elettromagnetica. Attualmente, gli scienziati stanno cercando di combinare tutte e quattro le forze fondamentali in un’unica equazione o nella cosiddetta “Teoria del Tutto”, ma senza successo! La gravità rimane la forza più misteriosa e meno studiata.
La gravità non può essere protetta in alcun modo. Qualunque sia la composizione della parete divisoria, essa non ha alcun effetto sull'attrazione tra due oggetti separati. Ciò significa che è impossibile creare una camera antigravità in condizioni di laboratorio. La forza di gravità non dipende dalla composizione chimica degli oggetti, ma dipende dalla loro massa, a noi nota come peso (la forza di gravità su un oggetto è uguale al peso di quell'oggetto - maggiore è la massa, maggiore è forza o peso.) I blocchi costituiti da vetro, piombo, ghiaccio o anche polistirolo, e aventi la stessa massa, sperimenteranno (ed eserciteranno) la stessa forza gravitazionale. Questi dati sono stati ottenuti durante gli esperimenti e gli scienziati non sanno ancora come possano essere spiegati teoricamente.
Progettare in gravità
La forza F tra due masse m 1 e m 2 poste a distanza r può essere scritta come la formula F = (G m 1 m 2)/r 2
Dove G è la costante gravitazionale misurata per la prima volta da Henry Cavendish nel 1798.1
Questa equazione mostra che la gravità diminuisce quando la distanza, r, tra due oggetti diventa maggiore, ma non raggiunge mai completamente lo zero.
La natura della legge dell’inverso del quadrato di questa equazione è semplicemente affascinante. Dopotutto, non esiste alcuna ragione necessaria per cui la gravità dovrebbe agire in questo modo. In un universo disordinato, casuale e in evoluzione, poteri arbitrari come r 1,97 o r 2,3 sembrerebbero più probabili. Tuttavia, misurazioni precise hanno mostrato una potenza esatta, almeno cinque cifre decimali, di 2,00000. Come ha detto un ricercatore, questo risultato sembra "troppo preciso".2 Possiamo concludere che la forza di gravità indica un disegno preciso, creato. Infatti, se il grado si discostasse anche di poco da 2, le orbite dei pianeti e dell'intero universo diventerebbero instabili.
Collegamenti e note
- Tecnicamente G = 6.672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
- Thompsen, D., "Molto accurato riguardo alla gravità", Notizie scientifiche 118(1):13, 1980.
Allora, cos’è esattamente la gravità? Come può questa forza operare in uno spazio così vasto e vuoto? E perché esiste? La scienza non è mai stata in grado di rispondere a queste domande fondamentali sulle leggi della natura. La forza di attrazione non può sorgere lentamente attraverso la mutazione o la selezione naturale. È in vigore fin dall’inizio dell’universo. Come ogni altra legge fisica, la gravità è senza dubbio una prova notevole della creazione pianificata.
Alcuni scienziati hanno cercato di spiegare la gravità utilizzando particelle invisibili, i gravitoni, che si muovono tra gli oggetti. Altri hanno parlato di stringhe cosmiche e di onde gravitazionali. Recentemente, gli scienziati che utilizzano un laboratorio LIGO appositamente creato (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) sono riusciti a vedere solo l'effetto delle onde gravitazionali. Ma la natura di queste onde, il modo in cui gli oggetti interagiscono fisicamente tra loro su grandi distanze, modificando il loro vantaggio, rimane ancora una grande domanda per tutti. Semplicemente non conosciamo l'origine della forza gravitazionale e come essa mantenga la stabilità dell'intero universo.
Gravità e Scrittura
Due passaggi della Bibbia possono aiutarci a comprendere la natura della gravità e della scienza fisica in generale. Il primo passaggio, Colossesi 1:17, spiega che Cristo “c’è prima di tutto e tutto dipende da Lui”. Il verbo greco sta (συνισταω sunistao) significa: aderire, trattenere o essere tenuti insieme. L'uso greco di questa parola al di fuori della Bibbia significa un recipiente contenente acqua. La parola usata nel libro dei Colossesi è al perfetto, che generalmente indica uno stato presente in corso che è sorto da un'azione passata completata. Uno dei meccanismi fisici in questione è chiaramente la forza di gravità, stabilita dal Creatore e mantenuta indefettibile oggi. Immaginate: se la forza di gravità cessasse per un momento, ne deriverebbe senza dubbio il caos. Tutti i corpi celesti, compresa la terra, la luna e le stelle, non sarebbero più tenuti insieme. Tutto verrebbe immediatamente diviso in piccole parti separate.
La seconda Scrittura, Ebrei 1:3, dichiara che Cristo “Egli sostiene tutte le cose mediante la parola della sua potenza”. Parola tiene (φερω pherō) descrive ancora una volta il sostegno o la conservazione di tutto, compresa la gravità. Parola tiene, come usato in questo versetto, significa molto di più che semplicemente sostenere il peso. Implica il controllo su tutti i movimenti e i cambiamenti che si verificano nell’universo. Questo compito senza fine si realizza attraverso la Parola onnipotente del Signore, per mezzo della quale l'universo stesso ha cominciato ad esistere. La gravità, una “forza misteriosa” ancora poco compresa dopo quattrocento anni di ricerca, è una manifestazione di questa straordinaria cura divina per l’universo.
Distorsioni del tempo e dello spazio e buchi neri
La teoria generale della relatività di Einstein vede la gravità non come una forza, ma come la curvatura dello spazio stesso vicino a un oggetto massiccio. Si prevede che la luce, che tradizionalmente segue linee rette, venga piegata mentre attraversa lo spazio curvo. Ciò fu dimostrato per la prima volta quando l'astronomo Sir Arthur Eddington scoprì un cambiamento nella posizione apparente di una stella durante un'eclissi totale nel 1919, ritenendo che i raggi luminosi fossero piegati dalla gravità del sole.
La relatività generale prevede anche che se un corpo è sufficientemente denso, la sua gravità distorcerà lo spazio a tal punto che la luce non potrà affatto attraversarlo. Un corpo del genere assorbe la luce e tutto ciò che viene catturato dalla sua forte gravità e viene chiamato buco nero. Un corpo del genere può essere rilevato solo dai suoi effetti gravitazionali su altri oggetti, dalla forte deflessione della luce attorno ad esso e dalla forte radiazione emessa dalla materia che cade su di esso.
Tutta la materia all'interno di un buco nero è compressa al centro, che ha densità infinita. La “dimensione” del buco è determinata dall’orizzonte degli eventi, vale a dire un confine che circonda il centro di un buco nero, e nulla (nemmeno la luce) può sfuggire al di là di esso. Il raggio del foro è chiamato raggio di Schwarzschild, dal nome dell'astronomo tedesco Karl Schwarzschild (1873-1916), ed è calcolato con la formula RS = 2GM/c 2, dove c è la velocità della luce nel vuoto. Se il Sole cadesse in un buco nero, il suo raggio di Schwarzschild sarebbe di soli 3 km.
Ci sono buone prove che, dopo che una stella massiccia esaurisce il combustibile nucleare, non può più resistere al collasso sotto il suo stesso enorme peso e cade in un buco nero. Si ritiene che al centro delle galassie, inclusa la nostra galassia, la Via Lattea, esistano buchi neri con la massa di miliardi di soli. Molti scienziati ritengono che gli oggetti super luminosi e molto distanti chiamati quasar sfruttino l’energia rilasciata quando la materia cade in un buco nero.
Secondo le previsioni della relatività generale, anche la gravità distorce il tempo. Ciò è stato confermato anche da orologi atomici molto precisi, che a livello del mare funzionano qualche microsecondo più lentamente che nelle zone sopra il livello del mare, dove la gravità terrestre è leggermente più debole. Vicino all’orizzonte degli eventi questo fenomeno è più evidente. Se osserviamo l'orologio di un astronauta mentre si avvicina all'orizzonte degli eventi, vedremo che l'orologio scorre più lentamente. Una volta all'interno dell'orizzonte degli eventi, l'orologio si fermerà, ma non saremo mai in grado di vederlo. Al contrario, un astronauta non noterà che il suo orologio sta andando più lentamente, ma vedrà che il nostro orologio sta andando sempre più veloce.
Il pericolo principale per un astronauta vicino a un buco nero sarebbero le forze di marea causate dal fatto che la gravità è più forte nelle parti del corpo più vicine al buco nero che in quelle più lontane da esso. La forza delle forze di marea vicino a un buco nero con la massa di una stella è più forte di qualsiasi uragano e fa facilmente a pezzi tutto ciò che incontra. Tuttavia, mentre l'attrazione gravitazionale diminuisce con il quadrato della distanza (1/r 2), l'influenza delle maree diminuisce con il cubo della distanza (1/r 3). Pertanto, contrariamente alla saggezza convenzionale, la forza gravitazionale (inclusa la forza di marea) sugli orizzonti degli eventi dei grandi buchi neri è più debole che sui piccoli buchi neri. Quindi le forze di marea all’orizzonte degli eventi di un buco nero nello spazio osservabile sarebbero meno evidenti della brezza più mite.
L'allungamento del tempo dovuto alla gravità vicino all'orizzonte degli eventi è la base del nuovo modello cosmologico del fisico della creazione Dr. Russell Humphreys, che descrive nel suo libro Starlight and Time. Questo modello potrebbe aiutare a risolvere il problema di come possiamo vedere la luce delle stelle lontane nel giovane universo. Inoltre, oggi rappresenta un'alternativa scientifica a quella non biblica, che si basa su presupposti filosofici che vanno oltre l'ambito della scienza.
Nota
La gravità, una “forza misteriosa” che, anche dopo quattrocento anni di ricerca, rimane poco compresa...
Isaac Newton (1642-1727)
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Isaac Newton (1642-1727)
Isaac Newton pubblicò le sue scoperte sulla gravità e sul moto dei corpi celesti nel 1687, nella sua famosa opera " Principi matematici" Alcuni lettori conclusero rapidamente che l'universo di Newton non lasciava spazio a Dio, poiché ora tutto poteva essere spiegato mediante equazioni. Ma Newton non la pensava affatto così, come affermò nella seconda edizione di questa famosa opera:
“Il nostro sistema solare, i pianeti e le comete più belli non possono che essere il risultato del disegno e del dominio di un essere intelligente e potente.”
Isaac Newton non era solo uno scienziato. Oltre alla scienza, dedicò quasi tutta la sua vita allo studio della Bibbia. I suoi libri biblici preferiti erano il libro di Daniele e il libro dell'Apocalisse, che descrivono i piani di Dio per il futuro. In effetti, Newton scrisse più opere teologiche che scientifiche.
Newton era rispettoso di altri scienziati come Galileo Galilei. A proposito, Newton nacque nello stesso anno in cui morì Galileo, nel 1642. Newton scrisse nella sua lettera: “Se ho visto più lontano degli altri, è stato perché stavo fermo le spalle giganti." Poco prima della sua morte, probabilmente riflettendo sul mistero della gravità, Newton scrisse con modestia: “Non so come mi percepisce il mondo, ma a me stesso sembro solo un bambino che gioca in riva al mare, che si diverte a trovare ogni tanto un sassolino più colorato degli altri, o una bella conchiglia, mentre un immenso oceano di verità inesplorate."
Newton è sepolto nell'Abbazia di Westminster. L'iscrizione latina sulla sua tomba termina con le parole: "Si rallegrino i mortali che un tale ornamento del genere umano viva tra loro.".
Anche una persona che non è interessata allo spazio ha visto almeno una volta un film sui viaggi nello spazio o ha letto queste cose nei libri. In quasi tutti questi lavori, le persone camminano per la nave, dormono normalmente e non hanno problemi a mangiare. Ciò significa che queste navi, immaginarie, hanno una gravità artificiale. La maggior parte degli spettatori lo percepisce come qualcosa di completamente naturale, ma non è affatto così.
Gravità artificiale
Questo è il nome per cambiare (in qualsiasi direzione) la gravità che ci è familiare attraverso l'uso di vari metodi. E questo viene fatto non solo nelle opere di fantascienza, ma anche in situazioni terrene molto reali, molto spesso per esperimenti.
In teoria, creare la gravità artificiale non sembra così difficile. Ad esempio, può essere ricreato utilizzando l'inerzia o, più precisamente, la necessità di questa forza non è nata ieri: è avvenuta immediatamente, non appena una persona ha iniziato a sognare voli spaziali a lungo termine. La creazione di gravità artificiale nello spazio consentirà di evitare molti dei problemi che sorgono durante periodi prolungati di assenza di gravità. I muscoli degli astronauti si indeboliscono e le ossa diventano meno forti. Viaggiare in tali condizioni per mesi può provocare l’atrofia di alcuni muscoli.
Pertanto, oggi la creazione della gravità artificiale è un compito di fondamentale importanza senza questa abilità è semplicemente impossibile;
Materiale
Anche chi conosce la fisica solo a livello scolastico capisce che la gravità è una delle leggi fondamentali del nostro mondo: tutti i corpi interagiscono tra loro, sperimentando attrazione/repulsione reciproca. Più grande è il corpo, maggiore è la sua forza gravitazionale.
La Terra per la nostra realtà è un oggetto molto massiccio. Ecco perché tutti i corpi intorno a lei, nessuno escluso, sono attratti da lei.
Per noi questo significa, che di solito viene misurato in g, pari a 9,8 metri al secondo quadrato. Ciò significa che se non avessimo sostegno sotto i piedi cadremmo ad una velocità che aumenta di 9,8 metri ogni secondo.
Quindi solo grazie alla gravità siamo in grado di stare in piedi, cadere, mangiare e bere normalmente, capire dov'è l'alto e dov'è il basso. Se la gravità scompare, ci ritroveremo in assenza di gravità.
I cosmonauti che si trovano nello spazio in uno stato di caduta libera, hanno particolare familiarità con questo fenomeno.
In teoria, gli scienziati sanno come creare la gravità artificiale. Esistono diversi metodi.
Grande massa
L'opzione più logica è renderla così grande da far apparire la gravità artificiale. Potrai sentirti a tuo agio sulla nave, poiché l'orientamento nello spazio non andrà perso.
Sfortunatamente, questo metodo non è realistico con lo sviluppo della tecnologia moderna. Costruire un oggetto del genere richiede troppe risorse. Inoltre, sollevarlo richiederebbe un’incredibile quantità di energia.
Accelerazione
Sembrerebbe che se si vuole ottenere un g uguale a quello terrestre, basti dare alla nave una forma piatta (simile a una piattaforma) e farla muovere perpendicolarmente al piano con l'accelerazione richiesta. In questo modo si otterrà la gravità artificiale, e per di più quella ideale.
Tuttavia, in realtà tutto è molto più complicato.
Innanzitutto vale la pena considerare la questione del carburante. Affinché la stazione acceleri costantemente, è necessario disporre di un gruppo di continuità. Anche se all’improvviso appare un motore che non espelle materia, la legge di conservazione dell’energia resta in vigore.
Il secondo problema è l’idea stessa di accelerazione costante. Secondo le nostre conoscenze e le leggi fisiche, è impossibile accelerare indefinitamente.
Inoltre, un veicolo del genere non è adatto per missioni di ricerca, poiché deve accelerare costantemente: volare. Non potrà fermarsi a studiare il pianeta, non potrà nemmeno volargli intorno lentamente: dovrà accelerare.
Pertanto, diventa chiaro che tale gravità artificiale non è ancora a nostra disposizione.
Giostra
Tutti sanno come la rotazione di una giostra influisce sul corpo. Pertanto, un dispositivo di gravità artificiale basato su questo principio sembra essere il più realistico.
Tutto ciò che si trova nel diametro della giostra tende a cadere fuori da essa ad una velocità approssimativamente uguale alla velocità di rotazione. Si scopre che sui corpi agisce una forza diretta lungo il raggio dell'oggetto rotante. È molto simile alla gravità.
Quindi è necessaria una nave di forma cilindrica. Allo stesso tempo, deve ruotare attorno al proprio asse. A proposito, la gravità artificiale su un'astronave, creata secondo questo principio, è spesso dimostrata nei film di fantascienza.
Una nave a forma di botte, ruotando attorno al proprio asse longitudinale, crea una forza centrifuga, la cui direzione corrisponde al raggio dell'oggetto. Per calcolare l'accelerazione risultante, è necessario dividere la forza per la massa.
In questa formula il risultato del calcolo è l'accelerazione, la prima variabile è la velocità nodale (misurata in radianti al secondo), la seconda è il raggio.
Secondo questo, per ottenere il g a cui siamo abituati, è necessario combinare correttamente il raggio del trasporto spaziale.
Un problema simile è evidenziato in film come Intersolah, Babylon 5, 2001: Odissea nello spazio e simili. In tutti questi casi, la gravità artificiale è vicina all'accelerazione terrestre dovuta alla gravità.
Non importa quanto sia buona l'idea, è abbastanza difficile implementarla.
Problemi con il metodo carosello
Il problema più evidente è evidenziato in Odissea nello spazio. Il raggio della “portaerei spaziale” è di circa 8 metri. Per ottenere un'accelerazione di 9,8 la rotazione deve avvenire ad una velocità di circa 10,5 giri al minuto.
A questi valori si manifesta l'“effetto Coriolis” che consiste nel fatto che a diverse distanze dal pavimento agiscono forze diverse. Dipende direttamente dalla velocità angolare.
Si scopre che la gravità artificiale verrà creata nello spazio, ma ruotare il corpo troppo rapidamente porterà a problemi con l'orecchio interno. Ciò, a sua volta, causa disturbi dell'equilibrio, problemi all'apparato vestibolare e altre difficoltà simili.
L'emergere di questo ostacolo suggerisce che un tale modello è estremamente infruttuoso.
Puoi provare ad andare dal contrario, come hanno fatto nel romanzo "The Ring World". Qui la nave ha la forma di un anello, il cui raggio è vicino al raggio della nostra orbita (circa 150 milioni di km). A queste dimensioni, la sua velocità di rotazione è sufficiente per ignorare l'effetto Coriolis.
Si potrebbe supporre che il problema sia stato risolto, ma non è affatto così. Il fatto è che una rivoluzione completa di questa struttura attorno al proprio asse richiede 9 giorni. Ciò suggerisce che i carichi saranno troppo grandi. Affinché la struttura possa resistere è necessario un materiale molto resistente, che oggi non abbiamo a nostra disposizione. Inoltre, il problema è la quantità di materiale e il processo di costruzione stesso.
Nei giochi con temi simili, come nel film “Babylon 5”, questi problemi sono in qualche modo risolti: la velocità di rotazione è abbastanza sufficiente, l'effetto Coriolis non è significativo, ipoteticamente è possibile creare una nave del genere.
Tuttavia, anche questi mondi presentano uno svantaggio. Il suo nome è momento angolare.
La nave, ruotando attorno al proprio asse, si trasforma in un enorme giroscopio. Come sapete, è estremamente difficile forzare il giroscopio a deviare dal proprio asse perché è importante che la sua quantità non lasci il sistema. Ciò significa che sarà molto difficile dare una direzione a questo oggetto. Tuttavia, questo problema può essere risolto.
Soluzione
La gravità artificiale sulla stazione spaziale diventa disponibile quando il cilindro O'Neill arriva in soccorso. Per creare questo disegno sono necessarie navi cilindriche identiche, collegate lungo l'asse. Dovrebbero ruotare in direzioni diverse. Il risultato di un tale assemblaggio è un momento angolare pari a zero, quindi non dovrebbero esserci difficoltà nel dare alla nave la direzione richiesta.
Se è possibile realizzare una nave con un raggio di circa 500 metri, funzionerà esattamente come dovrebbe. Allo stesso tempo, la gravità artificiale nello spazio sarà abbastanza comoda e adatta per lunghi voli su navi o stazioni di ricerca.
Ingegneri spaziali
I creatori del gioco sanno come creare la gravità artificiale. Tuttavia, in questo mondo fantastico, la gravità non è l'attrazione reciproca dei corpi, ma una forza lineare progettata per accelerare gli oggetti in una determinata direzione. L'attrazione qui non è assoluta; cambia quando la fonte viene reindirizzata.
La gravità artificiale sulla stazione spaziale viene creata utilizzando un generatore speciale. È uniforme ed equidirezionale nell'intervallo del generatore. Quindi, nel mondo reale, se finissi sotto una nave con un generatore installato, verresti trascinato verso lo scafo. Tuttavia, nel gioco l'eroe cadrà finché non lascerà il perimetro del dispositivo.
Oggi, la gravità artificiale nello spazio creata da un tale dispositivo è inaccessibile all'umanità. Tuttavia, anche gli sviluppatori dai capelli grigi non smettono di sognarlo.
Generatore sferico
Questa è un'opzione di equipaggiamento più realistica. Una volta installato, la gravità è diretta verso il generatore. Ciò rende possibile la realizzazione di una stazione la cui gravità sarà pari a quella planetaria.
Centrifuga
Oggi, la gravità artificiale sulla Terra si trova in vari dispositivi. Si basano, per la maggior parte, sull'inerzia, poiché questa forza viene percepita da noi in modo simile all'influenza gravitazionale: il corpo non distingue quale sia la causa che provoca l'accelerazione. Ad esempio: una persona che sale in ascensore sperimenta l'influenza dell'inerzia. Dal punto di vista di un fisico: la salita dell'ascensore somma l'accelerazione della cabina all'accelerazione della caduta libera. Quando la cabina ritorna al movimento misurato, il “aumento” di peso scompare, restituendo le sensazioni consuete.
Gli scienziati sono da tempo interessati alla gravità artificiale. Per questi scopi viene spesso utilizzata una centrifuga. Questo metodo è adatto non solo ai veicoli spaziali, ma anche alle stazioni terrestri dove è necessario studiare gli effetti della gravità sul corpo umano.
Studia sulla Terra, applica in...
Sebbene lo studio della gravità sia iniziato nello spazio, è una scienza molto terrestre. Ancora oggi i progressi in questo settore trovano applicazione, ad esempio, in medicina. Sapere se è possibile creare gravità artificiale su un pianeta può essere utilizzato per trattare problemi al sistema muscolo-scheletrico o al sistema nervoso. Inoltre, lo studio di questa forza viene effettuato principalmente sulla Terra. Ciò consente agli astronauti di condurre esperimenti rimanendo sotto la stretta attenzione dei medici. La gravità artificiale nello spazio è un'altra questione; lì non ci sono persone che possano aiutare gli astronauti in caso di situazione imprevista.
Tenendo presente la completa assenza di gravità, non si può prendere in considerazione un satellite situato nell'orbita terrestre bassa. Questi oggetti, anche se in piccola misura, sono influenzati dalla gravità. La forza di gravità generata in questi casi è chiamata microgravità. La gravità reale viene sperimentata solo in un veicolo che vola a velocità costante nello spazio. Tuttavia, il corpo umano non avverte questa differenza.
Puoi sperimentare l'assenza di gravità durante un salto in lungo (prima che la vela si apra) o durante una discesa parabolica dell'aereo. Tali esperimenti vengono spesso condotti negli Stati Uniti, ma su un aereo questa sensazione dura solo 40 secondi: è troppo breve per uno studio completo.
In URSS, nel 1973, sapevano se fosse possibile creare la gravità artificiale. E non solo lo hanno creato, ma lo hanno anche cambiato in qualche modo. Un esempio lampante di riduzione artificiale della gravità è l'immersione a secco, l'immersione. Per ottenere l'effetto desiderato, è necessario posizionare una pellicola spessa sulla superficie dell'acqua. La persona viene posta sopra di esso. Sotto il peso del corpo, il corpo affonda sott'acqua, lasciando sopra solo la testa. Questo modello dimostra la natura priva di supporto e a bassa gravità dell’oceano.
Non è necessario andare nello spazio per sperimentare la forza opposta dell'assenza di gravità: l'ipergravità. Quando un veicolo spaziale decolla e atterra in una centrifuga, il sovraccarico non solo può essere avvertito, ma anche studiato.
Trattamento di gravità
La fisica gravitazionale studia anche gli effetti dell’assenza di gravità sul corpo umano, cercando di minimizzarne le conseguenze. Tuttavia, un gran numero di risultati di questa scienza può essere utile anche agli abitanti comuni del pianeta.
I medici ripongono grandi speranze nella ricerca sul comportamento degli enzimi muscolari nella miopatia. Questa è una malattia grave che porta alla morte prematura.
Durante l'attività fisica attiva, una grande quantità dell'enzima creatina fosfochinasi entra nel sangue di una persona sana. La ragione di questo fenomeno non è chiara; forse il carico agisce sulla membrana cellulare in modo tale da farla diventare “bucata”. I pazienti con miopatia ottengono lo stesso effetto senza esercizio. Le osservazioni degli astronauti mostrano che in assenza di gravità il flusso dell'enzima attivo nel sangue è significativamente ridotto. Questa scoperta suggerisce che l'uso dell'immersione ridurrà l'impatto negativo dei fattori che portano alla miopatia. Attualmente sono in corso esperimenti sugli animali.
Il trattamento di alcune malattie viene già effettuato utilizzando i dati ottenuti dallo studio della gravità, inclusa la gravità artificiale. Ad esempio, il trattamento della paralisi cerebrale, dell'ictus e del morbo di Parkinson viene effettuato attraverso l'uso di tute antistress. La ricerca sugli effetti positivi del supporto, la scarpa pneumatica, è quasi terminata.
Voleremo su Marte?
Gli ultimi risultati degli astronauti danno speranza per la realtà del progetto. Esiste esperienza nel fornire supporto medico a una persona durante un lungo soggiorno lontano dalla Terra. Anche i voli di ricerca sulla Luna, dove la forza gravitazionale è 6 volte inferiore alla nostra, hanno portato molti benefici. Ora gli astronauti e gli scienziati si stanno ponendo un nuovo obiettivo: Marte.
Prima di fare la fila per un biglietto per il Pianeta Rosso, dovresti sapere cosa attende il corpo già nella prima fase del lavoro - in arrivo. In media, la strada verso il pianeta deserto richiederà un anno e mezzo, circa 500 giorni. Lungo la strada dovrai fare affidamento solo sulle tue forze; semplicemente non c'è nessun posto dove aspettare l'aiuto.
Molti fattori mineranno la tua forza: stress, radiazioni, mancanza di campo magnetico. Il test più importante per il corpo è un cambiamento di gravità. Durante il viaggio, una persona “conoscerà” diversi livelli di gravità. Innanzitutto si tratta di sovraccarichi durante il decollo. Quindi: assenza di gravità durante il volo. Successivamente, ipogravità a destinazione, poiché la gravità su Marte è inferiore al 40% di quella terrestre.
Come si affrontano gli effetti negativi dell'assenza di gravità su un lungo volo? Si spera che gli sviluppi nel campo della gravità artificiale contribuiscano a risolvere questo problema nel prossimo futuro. Esperimenti sui ratti che viaggiano su Cosmos 936 mostrano che questa tecnica non risolve tutti i problemi.
L'esperienza del sistema operativo ha dimostrato che l'uso di complessi di allenamento in grado di determinare il carico richiesto per ciascun astronauta individualmente può apportare benefici molto maggiori al corpo.
Per ora, si ritiene che non solo i ricercatori voleranno su Marte, ma anche i turisti che vogliono stabilire una colonia sul Pianeta Rosso. Per loro, almeno per la prima volta, la sensazione di essere in assenza di gravità supererà tutte le argomentazioni dei medici sui pericoli di una permanenza prolungata in tali condizioni. Ma tra qualche settimana anche loro avranno bisogno di aiuto, motivo per cui è così importante riuscire a trovare un modo per creare gravità artificiale sull’astronave.
Risultati
Quali conclusioni si possono trarre sulla creazione della gravità artificiale nello spazio?
Tra tutte le opzioni attualmente prese in considerazione, la struttura rotante sembra la più realistica. Tuttavia, con l’attuale comprensione delle leggi fisiche, ciò è impossibile, poiché la nave non è un cilindro cavo. All'interno ci sono sovrapposizioni che interferiscono con l'attuazione delle idee.
Inoltre, il raggio della nave deve essere così grande che l'effetto Coriolis non abbia effetti significativi.
Per controllare qualcosa del genere, avrai bisogno del cilindro O'Neill menzionato sopra, che ti darà la possibilità di controllare la nave. In questo caso, aumentano le possibilità di utilizzare un tale progetto per i voli interplanetari fornendo allo stesso tempo all'equipaggio un livello di gravità confortevole.
Prima che l'umanità riesca a realizzare i propri sogni, mi piacerebbe vedere un po' più di realismo e ancora più conoscenza delle leggi della fisica nelle opere di fantascienza.
Il fenomeno più importante costantemente studiato dai fisici è il movimento. Fenomeni elettromagnetici, leggi della meccanica, processi termodinamici e quantistici: tutto questo è una vasta gamma di frammenti dell'universo studiati dalla fisica. E tutti questi processi si riducono, in un modo o nell'altro, a una cosa: a.
In contatto con
Tutto nell'Universo si muove. La gravità è un fenomeno comune a tutte le persone fin dall'infanzia; siamo nati nel campo gravitazionale del nostro pianeta, questo fenomeno fisico è percepito da noi al livello intuitivo più profondo e, a quanto pare, non richiede nemmeno studio;
Ma, ahimè, la domanda è: perché e come si attraggono tutti i corpi?, fino ad oggi non è stato completamente divulgato, sebbene sia stato studiato in lungo e in largo.
In questo articolo vedremo cos'è l'attrazione universale secondo Newton, la teoria classica della gravità. Tuttavia, prima di passare a formule ed esempi, parleremo dell'essenza del problema dell'attrazione e gli daremo una definizione.
Forse lo studio della gravità è diventato l'inizio della filosofia naturale (la scienza della comprensione dell'essenza delle cose), forse la filosofia naturale ha dato origine alla questione dell'essenza della gravità, ma, in un modo o nell'altro, la questione della gravitazione dei corpi si interessò all'antica Grecia.
Il movimento era inteso come l'essenza della caratteristica sensoriale del corpo, o meglio, il corpo si muoveva mentre l'osservatore lo vedeva. Se non possiamo misurare, pesare o sentire un fenomeno, significa forse che questo fenomeno non esiste? Naturalmente ciò non significa questo. E poiché Aristotele lo capì, iniziarono le riflessioni sull'essenza della gravità.
Come si scopre oggi, dopo molte decine di secoli, la gravità è la base non solo della gravità e dell'attrazione del nostro pianeta, ma anche la base dell'origine dell'Universo e di quasi tutte le particelle elementari esistenti.
Compito di movimento
Conduciamo un esperimento mentale. Prendiamo una pallina nella mano sinistra. Prendiamo lo stesso a destra. Rilasciamo la palla giusta e inizierà a cadere. Quello sinistro rimane nella mano, è ancora immobile.
Fermiamo mentalmente lo scorrere del tempo. La palla destra che cade “sospesa” in aria, quella sinistra rimane ancora nella mano. La palla destra è dotata dell '"energia" del movimento, quella sinistra no. Ma qual è la differenza profonda e significativa tra loro?
Dove, in quale parte della palla che cade è scritto che dovrebbe muoversi? Ha la stessa massa, lo stesso volume. Ha gli stessi atomi e non sono diversi dagli atomi di una palla a riposo. Palla ha? Sì, questa è la risposta corretta, ma come fa la palla a sapere cosa ha energia potenziale e dove è registrata in essa?
Questo è precisamente il compito che si sono posti Aristotele, Newton e Albert Einstein. E tutti e tre i brillanti pensatori hanno in parte risolto questo problema da soli, ma oggi ci sono una serie di problemi che richiedono una risoluzione.
La gravità di Newton
Nel 1666, il più grande fisico e meccanico inglese I. Newton scoprì una legge che può calcolare quantitativamente la forza grazie alla quale tutta la materia nell'Universo tende l'una verso l'altra. Questo fenomeno è chiamato gravità universale. Quando ti viene chiesto: "Formulare la legge di gravitazione universale", la tua risposta dovrebbe suonare così:
Si trova la forza dell'interazione gravitazionale, che contribuisce all'attrazione di due corpi direttamente proporzionale alle masse di questi corpi ed inversamente proporzionale alla distanza tra loro.
Importante! La legge di attrazione di Newton utilizza il termine "distanza". Questo termine dovrebbe essere inteso non come la distanza tra le superfici dei corpi, ma come la distanza tra i loro centri di gravità. Ad esempio, se due sfere di raggio r1 e r2 sono una sopra l'altra, la distanza tra le loro superfici è zero, ma è presente una forza attrattiva. Il fatto è che la distanza tra i loro centri r1+r2 è diversa da zero. Su scala cosmica questa precisazione non è importante, ma per un satellite in orbita questa distanza è pari all'altezza sopra la superficie più il raggio del nostro pianeta. La distanza tra la Terra e la Luna viene misurata anche come distanza tra i loro centri, non tra le loro superfici.
Per la legge di gravità la formula è la seguente:
,
- F – forza di attrazione,
- – masse,
- r – distanza,
- G – costante gravitazionale pari a 6,67·10−11 m³/(kg·s²).
Cos'è il peso, se guardiamo solo alla forza di gravità?
La forza è una grandezza vettoriale, ma nella legge di gravitazione universale è tradizionalmente scritta come scalare. In un'immagine vettoriale, la legge sarà simile a questa:
.
Ma ciò non significa che la forza sia inversamente proporzionale al cubo della distanza tra i centri. La relazione dovrebbe essere percepita come un vettore unitario diretto da un centro all'altro:
.
Legge di interazione gravitazionale
Peso e gravità
Considerando la legge di gravità, si può capire che non sorprende che noi personalmente sentiamo che la gravità del Sole è molto più debole di quella della Terra. Sebbene il Sole abbia una massa elevata, è molto lontano da noi. è anch'esso lontano dal Sole, ma ne è attratto, poiché ha una grande massa. Come trovare la forza gravitazionale di due corpi, vale a dire come calcolare la forza gravitazionale del Sole, della Terra e di me e te, affronteremo questo problema un po 'più tardi.
Per quanto ne sappiamo la forza di gravità vale:
dove m è la nostra massa e g è l’accelerazione della caduta libera della Terra (9,81 m/s 2).
Importante! Non esistono due, tre, dieci tipi di forze attrattive. La gravità è l'unica forza che dà una caratteristica quantitativa di attrazione. Il peso (P = mg) e la forza gravitazionale sono la stessa cosa.
Se m è la nostra massa, M è la massa del globo, R è il suo raggio, allora la forza gravitazionale che agisce su di noi è uguale a:
Pertanto, poiché F = mg:
.
Le masse m si riducono e l'espressione per l'accelerazione della caduta libera rimane:
Come possiamo vedere, l'accelerazione di gravità è veramente un valore costante, poiché la sua formula include quantità costanti: il raggio, la massa della Terra e la costante gravitazionale. Sostituendo i valori di queste costanti, ci assicuriamo che l'accelerazione di gravità sia pari a 9,81 m/s 2.
A diverse latitudini, il raggio del pianeta è leggermente diverso, poiché la Terra non è ancora una sfera perfetta. Per questo motivo, l'accelerazione della caduta libera nei singoli punti del globo è diversa.
Torniamo all'attrazione della Terra e del Sole. Proviamo a dimostrare con un esempio che il globo attrae te e me più forte del sole.
Per comodità prendiamo la massa di una persona: m = 100 kg. Poi:
- La distanza tra una persona e il globo è uguale al raggio del pianeta: R = 6,4∙10 6 m.
- La massa della Terra è: M ≈ 6∙10 24 kg.
- La massa del Sole è: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
- Distanza tra il nostro pianeta e il Sole (tra il Sole e l'uomo): r=15∙10 10 m.
Attrazione gravitazionale tra uomo e Terra:
Questo risultato è abbastanza ovvio dall'espressione più semplice del peso (P = mg).
La forza di attrazione gravitazionale tra l’uomo e il Sole:
Come possiamo vedere, il nostro pianeta ci attrae quasi 2000 volte più forte.
Come trovare la forza di attrazione tra la Terra e il Sole? Nel seguente modo:
Ora vediamo che il Sole attrae il nostro pianeta più di un miliardo di miliardi di volte più forte di quanto il pianeta attiri me e te.
Prima velocità di fuga
Dopo che Isaac Newton scoprì la legge della gravitazione universale, si interessò alla velocità con cui un corpo deve essere lanciato affinché, dopo aver superato il campo gravitazionale, lasci il globo per sempre.
È vero, lo immaginava in modo leggermente diverso, nella sua comprensione non era un razzo in piedi verticalmente puntato verso il cielo, ma un corpo che faceva un salto orizzontalmente dalla cima di una montagna. Questa era un'illustrazione logica perché In cima alla montagna la forza di gravità è leggermente inferiore.
Quindi, in cima all'Everest, l'accelerazione di gravità non sarà i soliti 9,8 m/s 2 , ma quasi m/s 2 . È per questo motivo che l'aria è così sottile che le particelle d'aria non sono più legate alla gravità come quelle che “cadono” in superficie.
Proviamo a scoprire qual è la velocità di fuga.
La prima velocità di fuga v1 è la velocità con cui il corpo lascia la superficie della Terra (o di un altro pianeta) ed entra in un'orbita circolare.
Proviamo a scoprire il valore numerico di questo valore per il nostro pianeta.
Scriviamo la seconda legge di Newton per un corpo che ruota attorno a un pianeta su un'orbita circolare:
,
dove h è l'altezza del corpo sopra la superficie, R è il raggio della Terra.
In orbita, un corpo è soggetto ad accelerazione centrifuga, quindi:
.
Riducendo le masse si ottiene:
,
Questa velocità è chiamata prima velocità di fuga:
Come puoi vedere, la velocità di fuga è assolutamente indipendente dalla massa corporea. Pertanto, qualsiasi oggetto accelerato ad una velocità di 7,9 km/s lascerà il nostro pianeta ed entrerà nella sua orbita.
Prima velocità di fuga
Seconda velocità di fuga
Tuttavia, anche accelerando il corpo alla prima velocità di fuga, non saremo in grado di interrompere completamente la sua connessione gravitazionale con la Terra. Questo è il motivo per cui abbiamo bisogno di una seconda velocità di fuga. Quando questa velocità viene raggiunta il corpo esce dal campo gravitazionale del pianeta e tutte le possibili orbite chiuse.
Importante! Spesso si crede erroneamente che per raggiungere la Luna gli astronauti dovessero raggiungere la seconda velocità di fuga, perché prima dovevano “disconnettersi” dal campo gravitazionale del pianeta. Non è così: la coppia Terra-Luna si trova nel campo gravitazionale della Terra. Il loro centro di gravità comune è all'interno del globo.
Per trovare questa velocità, poniamo il problema in modo leggermente diverso. Diciamo che un corpo vola dall'infinito verso un pianeta. Domanda: quale velocità verrà raggiunta in superficie all'atterraggio (senza tener conto dell'atmosfera, ovviamente)? Questa è esattamente la velocità il corpo dovrà lasciare il pianeta.
La legge di gravitazione universale. Fisica 9° elementare
Legge di gravitazione universale.
Conclusione
Abbiamo appreso che sebbene la gravità sia la forza principale dell'Universo, molte delle ragioni di questo fenomeno rimangono ancora un mistero. Abbiamo imparato cos'è la forza di gravitazione universale di Newton, abbiamo imparato a calcolarla per vari corpi e abbiamo anche studiato alcune utili conseguenze che derivano da un fenomeno come la legge di gravità universale.