Явление тяготения. Гравитационная сила

 Изучение движения планет

Людей все­гда ин­те­ре­со­вал во­прос дви­же­ния пла­нет. На­чи­ная со вре­мён Га­ли­лея, когда был изоб­ре­тён те­ле­скоп, люди смог­ли при­сталь­но на­блю­дать за небес­ны­ми те­ла­ми, фик­си­ро­вать их ме­сто­по­ло­же­ние, тем самым по­лу­чать све­де­ния об их дви­же­нии. В ре­зуль­та­те на­блю­де­ния нево­ору­жён­ным гла­зом и с по­мо­щью те­ле­ско­па на­ко­пи­лось много фак­тов, ко­то­рые рас­ска­зы­ва­ли о том, что небес­ные тела на небо­сво­де опи­сы­ва­ют непо­нят­ные петли. То есть сна­ча­ла на­блю­да­ет­ся дви­же­ние пла­не­ты впе­рёд, затем пла­не­та воз­вра­ща­ет­ся об­рат­но, и всё время такое дви­же­ние по­вто­ря­ет­ся.

В то время гос­под­ство­ва­ла гео­цен­три­че­ская (во­круг непо­движ­ной Земли вра­ща­ют­ся пла­не­ты и звёз­ды) тео­рия Пто­ле­мея (см. Рис. 1), и для опи­са­ния по­ве­де­ния небес­ных тел со­зда­ва­лись мо­де­ли, в ко­то­рых слож­ные ви­ди­мые дви­же­ния пла­нет объ­яс­ня­лись как ре­зуль­тат сло­же­ний несколь­ких рав­но­мер­ных дви­же­ний по окруж­но­стям. Всё из­ме­ни­лось, когда поль­ский учё­ный Ни­ко­лай Ко­пер­ник в центр мира «по­ме­стил» Солн­це. В этом слу­чае си­сте­ма от­счё­та из­ме­ни­лась и стало ясно, что все пла­не­ты об­ра­ща­ют­ся во­круг Солн­ца. Слож­ное на пер­вый взгляд ви­ди­мое пет­ле­об­раз­ное дви­же­ние пла­нет очень про­сто объ­яс­ни­лось со­че­та­ни­ем кру­го­во­го дви­же­ния пла­нет с кру­го­вым дви­же­ни­ем Земли в том же на­прав­ле­нии.

Рис. 1. Пто­ле­мей (ок. 100 – ок. 170)

По­пыт­ки объ­яс­нить дви­же­ния пла­нет осу­ществ­ля­лись раз­ны­ми учё­ны­ми. Од­на­ко имен­но Ро­бер­ту Гуку (см. Рис. 2) уда­лось со­по­ста­вить дви­же­ние пла­нет с дей­ству­ю­щи­ми си­ла­ми. Он до­га­дал­ся, что Солн­це при­тя­ги­ва­ет к себе все пла­не­ты, что дви­же­ние пла­нет обес­пе­чи­ва­ет­ся имен­но Солн­цем.

Рис. 2. Ро­берт Гук (1635–1703)

Сле­ду­ю­щий шаг в изу­че­нии дви­же­ния пла­нет был сде­лан Нью­то­ном (см. Рис. 3), ко­то­рый рас­смат­ри­вал на­прав­ле­ние дей­ствия силы по на­прав­ле­нию уско­ре­ния (если по­смот­реть по на­прав­ле­нию уско­ре­ния пла­нет, то мы уви­дим Солн­це). Нью­тон впер­вые рас­счи­тал на­прав­ле­ние и тра­ек­то­рию дви­же­ния пла­нет. В ре­зуль­та­те того, что из­ме­ре­ния были неточ­ны­ми, он не стал пуб­ли­ко­вать свои ре­зуль­та­ты. Это при­ве­ло к тому, что между двумя уче­ны­ми, Ро­бер­том Гуком и Нью­то­ном, про­дол­жал­ся очень дол­гое время спор о при­о­ри­те­те от­кры­тия дви­же­ния пла­нет во­круг Солн­ца и, самое глав­ное, – о все­мир­ном тя­го­те­нии. Ведь имен­но Гук пер­вый опуб­ли­ко­вал ра­бо­ту в 1674 году, в ко­то­рой утвер­ждал, что вза­и­мо­дей­ству­ют между собой не толь­ко пла­не­ты и Солн­це, но и пла­не­ты друг с дру­гом. Как гла­сит ис­то­рия, Нью­тон до­га­дал­ся о таком вза­и­мо­дей­ствии ещё в 1666 году, но по ука­зан­ным выше при­чи­нам свои вы­во­ды не пуб­ли­ко­вал.

Рис. 3. Исаак Нью­тон (1642–1727)

 Гравитационное взаимодействие

Силы вза­и­мо­дей­ствия между пла­не­та­ми и между пла­не­та­ми и Солн­цем стали на­зы­вать­ся гра­ви­та­ци­он­ны­ми, что в пе­ре­во­де с ла­тин­ско­го озна­ча­ет «тя­жесть».

Вза­и­мо­дей­ствие, свой­ствен­ное всем телам Все­лен­ной и про­яв­ля­ю­ще­е­ся в их вза­им­ном при­тя­же­нии друг к другу, на­зы­ва­ют гра­ви­та­ци­он­ны­ми, а само яв­ле­ние – яв­ле­ние все­мир­но­го тя­го­те­ния, или гра­ви­та­ци­ей.

Можно ска­зать, что Исаак Нью­тон в своей ра­бо­те, ко­то­рую он опуб­ли­ко­вал в 1698 году, со­вер­шен­но четко по­ка­зал, что между пла­не­та­ми су­ще­ству­ет вза­и­мо­дей­ствие. Это вза­и­мо­дей­ствие осу­ществ­ля­ет­ся осо­бым полем, ко­то­рое стали на­зы­вать гра­ви­та­ци­он­ным. У этого поля есть неко­то­рые осо­бен­но­сти. Самая глав­ная и самая ин­те­рес­ная осо­бен­ность – поле яв­ля­ет­ся все­про­ни­ка­ю­щим. Дело в том, что от элек­три­че­ско­го поля и от маг­нит­но­го можно за­щи­тить­ся, есть воз­мож­ность по­ста­вить ба­рьер дей­ствию этого поля. А от гра­ви­та­ци­он­но­го поля за­щи­тить­ся невоз­мож­но. То есть каж­дый раз, когда мы ста­вим на пути гра­ви­та­ци­он­но­го поля ка­кой-ли­бо ба­рьер, мы ощу­ща­ем дей­ствие этого поля и за этим ба­рье­ром.

Гра­ви­та­ци­он­ное вза­и­мо­дей­ствие за­ви­сит от массы тела. При­чем чем масса боль­ше, тем и гра­ви­та­ци­он­ное вза­и­мо­дей­ствие будет более ин­тен­сив­ным.

Также Нью­тон вывел два со­от­но­ше­ния. Все тела, ко­то­рые на­хо­дят­ся вб­ли­зи по­верх­но­сти Земли, при­тя­ги­ва­ют­ся к ней с уско­ре­ни­ем сво­бод­но­го па­де­ния. Срав­нив это уско­ре­ние с уско­ре­ни­ем Луны от­но­си­тель­но Земли, Нью­тон за­ме­тил, что уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния в 3600 раз боль­ше. В то же самое время рас­сто­я­ние от цен­тра Земли до Луны и ра­ди­ус Земли, от­ли­ча­ют­ся в 60 раз (см. Рис. 4). То есть уско­ре­ние об­рат­но про­пор­ци­о­наль­но квад­ра­ту рас­сто­я­ния. Это со­от­но­ше­ние и при­ве­ло к от­кры­тию за­ко­на все­мир­но­го тя­го­те­ния, ко­то­рый будет рас­смот­рен на сле­ду­ю­щем уроке.

Рис. 4. От­но­ше­ние рас­сто­я­ния от цен­тра Земли до Луны к ра­ди­у­су Земли

Необ­хо­ди­мо от­ме­тить тот факт, что при вы­ве­де­нии за­ко­на все­мир­но­го тя­го­те­ния Нью­тон ис­поль­зо­вал дан­ные от­кры­тий мно­гих дру­гих учё­ных.