Закон всемирного тяготения

 Счи­та­ет­ся, что ав­то­ром этого за­ко­на яв­ля­ет­ся ве­ли­кий ан­глий­ский учё­ный Исаак Нью­тон.

Он срав­нил уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния, ко­то­рое было из­вест­но до него, и уско­ре­ние Луны. И вот по от­но­ше­нию этих уско­ре­ний он уви­дел, что они при­бли­зи­тель­но со­от­но­сят­ся в 3600 раз. То есть уско­ре­ние Луны мень­ше, чем уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния в 3600 раз.

Срав­нив затем рас­сто­я­ние между Зем­лёй и Луной и ра­ди­ус Земли, ко­то­рый тоже был к тому вре­ме­ни при­бли­зи­тель­но из­ве­стен, он за­ме­тил, что и это со­от­но­ше­ние тоже яв­ля­ет­ся про­пор­ци­о­наль­ным 60. То есть 3600 раз – это 60 в квад­ра­те. По­лу­чив эти два со­от­но­ше­ния, он при­шёл к вы­во­ду о том, что сила, с ко­то­рой вза­и­мо­дей­ству­ют тела, сила, с ко­то­рой при­тя­ги­ва­ет­ся Земля к Луне, Луна к Земле, дру­гие пла­не­ты к Солн­цу, в первую оче­редь об­рат­но про­пор­ци­о­наль­ны квад­ра­ту рас­сто­я­ния между ними.

Зна­чит, пер­вый вывод, ко­то­рый был сде­лан, это за­ви­си­мость уско­ре­ния дви­же­ния пла­нет об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния. Мы знаем также, что сила прямо про­пор­ци­о­наль­на уско­ре­нию из вто­ро­го за­ко­на Нью­то­на, так что можно го­во­рить, что и сила вза­и­мо­дей­ствия также об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния между пла­не­та­ми.

Итак, да­вай­те по­смот­рим, как это всё вы­гля­дит в за­пи­си:

Итак, рас­смот­рим со­от­но­ше­ние: уско­ре­ние Луны к уско­ре­нию сво­бод­но­го па­де­ния. Ока­за­лось, что это со­от­но­ше­ние равно 1:3600. Если мы те­перь рас­смот­рим рас­сто­я­ние от Земли до Луны, это 384000 км, и срав­ним с ра­ди­у­сом Земли, ко­то­рый при­бли­зи­тель­но со­став­ля­ет 6400 км, то это со­от­но­ше­ние будет . Мы здесь на­пи­са­ли. Но ведь  и  – это одно и то же. То есть можно ска­зать, что уско­ре­ния, о ко­то­рых мы го­во­ри­ли, от­но­сят­ся как квад­рат от­но­ше­ния рас­сто­я­ния и ра­ди­у­са Земли и рас­сто­я­ния от Земли до Луны. Вот такое слож­ное со­от­но­ше­ние было про­из­ве­де­но Нью­то­ном, ко­то­рое при­ве­ло тому, что мы можем сде­лать вывод, как уско­ре­ние со­от­но­сит­ся с рас­сто­я­ни­ем. Но ведь уско­ре­ние прямо про­пор­ци­о­наль­но силе, по­это­му сле­ду­ю­щий вывод будет о вза­и­мо­дей­ствии и со­от­но­ше­ни­ях сил.

Итак, мы рас­смот­ре­ли имен­но те со­от­но­ше­ния, ко­то­рые были вы­бра­ны Нью­то­ном. Кроме этого, Нью­тон обя­за­тель­но све­рил все свои вы­чис­ле­ния с по­лу­чен­ны­ми на тот мо­мент ре­зуль­та­та­ми ис­сле­до­ва­ний и на­блю­де­ний. Как я уже вам го­во­рил, что на самом деле неко­то­рые рас­хож­де­ния были здесь об­на­ру­же­ны, по­это­му Нью­тон сразу своих ре­зуль­та­тов не опуб­ли­ко­вал. По­это­му неко­то­рое время ему при­ш­лось по­до­ждать до того мо­мен­та, когда были уточ­не­ны все на­блю­да­е­мые из­ме­ре­ния.

Сле­ду­ю­щий шаг, ко­то­рый был сде­лан Нью­то­ном, мы уже опре­де­ли­ли, это со­от­но­ше­ние уско­ре­ния и рас­сто­я­ния и со­от­но­ше­ние силы и рас­сто­я­ния. По­смот­ри­те, по­жа­луй­ста, на за­пись:

Из этого сле­ду­ет, что уско­ре­ние тела, уско­ре­ние пла­не­ты, уско­ре­ние Луны, о ко­то­ром мы го­во­ри­ли, будет об­рат­но про­пор­ци­о­наль­но квад­ра­ту рас­сто­я­ния. Но мы знаем, и мы уже об этом го­во­ри­ли, что сила, по вто­ро­му за­ко­ну Нью­то­на, также прямо про­пор­ци­о­наль­на уско­ре­нию. По­это­му мы можем сде­лать вывод, что сила , также об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния. Это пер­вый вывод, ко­то­рый был сде­лан Нью­то­ном.

Сле­ду­ю­щий вывод, ко­то­рый был пред­ло­жен Нью­то­ном, это со­от­но­ше­ние силы и массы тела. Мы на преды­ду­щем уроке об­суж­да­ли во­прос, свя­зан­ный с тем, что такое гра­ви­та­ци­он­ное вза­и­мо­дей­ствие. Гра­ви­та­ци­он­ное – от слова тя­жесть. Если вы пом­ни­те урок, то можно го­во­рить о том, что из на­блю­да­е­мых дан­ных опять сле­ду­ет имен­но это. На­блю­да­е­мые дан­ные были ис­поль­зо­ва­ны Нью­то­ном с той целью, чтобы опре­де­лить­ся во вза­и­мо­от­но­ше­нии сил вза­и­мо­дей­ствия и массы. В ре­зуль­та­те были по­лу­че­ны сле­ду­ю­щие ре­зуль­та­ты: сила вза­и­мо­дей­ствия двух тел за­ви­сит от масс тел, вза­и­мо­дей­ству­ю­щих между собой. То есть от масс пла­нет, от масс Луны и Земли. Те­перь стало по­нят­но, что и дру­гие пла­не­ты также вза­и­мо­дей­ству­ют с Солн­цем. По­это­му можно сде­лать сле­ду­ю­щий вывод: сила, с ко­то­рой вза­и­мо­дей­ству­ют тела, прямо про­пор­ци­о­наль­на про­из­ве­де­нию масс этих тел. Это сле­ду­ет из на­блю­да­е­мых дан­ных, из тех, ко­то­рые были по­лу­че­ны в ре­зуль­та­те на­блю­де­ний за пла­не­та­ми.

Об­ра­щаю ваше вни­ма­ние, что за­пись, ко­то­рую мы здесь вам пред­ла­га­ем, как раз и вы­ра­жа­ет за­ви­си­мость силы вза­и­мо­дей­ствия тел с раз­лич­ны­ми мас­са­ми. То есть сила прямо про­пор­ци­о­наль­на , масса од­но­го тела умно­жить на массу дру­го­го тела.

Сле­ду­ю­щий шаг, ко­то­рый был сде­лан Нью­то­ном, это объ­еди­не­ние двух по­лу­чен­ных вы­во­дов. То есть если, с одной сто­ро­ны, сила прямо про­пор­ци­о­наль­на про­из­ве­де­нию масс вза­и­мо­дей­ству­ю­щих тел, а, с дру­гой сто­ро­ны, об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния, то мы по­лу­ча­ем уже тот самый закон, ко­то­рый и был от­крыт Нью­то­ном. Он по­лу­чил на­зва­ние «Закон все­мир­но­го тя­го­те­ния».

Да­вай­те по­смот­рим на за­пись этого вы­во­да:

Об­ра­ти­те вни­ма­ние, что в этой форме уже можно го­во­рить о той за­ви­си­мо­сти, ко­то­рая была от­кры­та Нью­то­ном. То есть, когда го­во­ри­ли, что Нью­тон яв­ля­ет­ся вла­сти­те­лем миров, он пер­вым опре­де­лил то, как будут дви­гать­ся тела. Те были со­вер­шен­но правы, уже из этого со­от­но­ше­ния сле­ду­ет вывод о том, как вза­и­мо­дей­ству­ют между собой раз­лич­ные тела. Сила вза­и­мо­дей­ствия прямо про­пор­ци­о­наль­на про­из­ве­де­нию массы и об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния между ними.

Окон­ча­тель­но закон все­мир­но­го тя­го­те­ния был сфор­ми­ро­ван в се­ре­дине XVIII века. Или можно ска­зать так: к се­ре­дине XVIII века. Тогда, когда уда­лось хотя бы ча­стич­но опре­де­лить ко­эф­фи­ци­ент про­пор­ци­о­наль­но­сти. Вы по­ни­ма­е­те, что про­пор­ци­о­наль­ность не есть пра­виль­ное и точ­ное ра­вен­ство. Чтобы его по­лу­чить, необ­хо­ди­мо в дан­ное урав­не­ние вве­сти ко­эф­фи­ци­ент про­пор­ци­о­наль­но­сти. Этот ко­эф­фи­ци­ент про­пор­ци­о­наль­но­сти на се­го­дняш­ний день обо­зна­ча­ют за­глав­ной бук­вой . Боль­шая ла­тин­ская, на фран­цуз­ский манер, также обо­зна­ча­ет сво­бод­ное па­де­ние. Здесь тоже го­во­рят о ко­эф­фи­ци­ен­те  и на­зы­ва­ют его «гра­ви­та­ци­он­ная по­сто­ян­ная ве­ли­чи­на».

Итак, закон все­мир­но­го тя­го­те­ния гла­сит, что сила вза­и­мо­дей­ствия двух тел прямо про­пор­ци­о­наль­на про­из­ве­де­нию их масс и об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния между ними. И обя­за­тель­но необ­хо­ди­мо ука­зать, что в дан­ной фор­му­ле ис­поль­зу­ет­ся гра­ви­та­ци­он­ная по­сто­ян­ная.

Впер­вые, как я уже го­во­рил, была по­пыт­ка уточ­не­ния гра­ви­та­ци­он­ной по­сто­ян­ной, ещё не точ­ное её опре­де­ле­ние, в се­ре­дине XVIII века. Опре­де­ли­ли гра­ви­та­ци­он­ную по­сто­ян­ную сле­ду­ю­щим об­ра­зом: по­смот­ре­ли от­кло­не­ния ма­ят­ни­ка и неболь­шо­го ме­тал­ли­че­ско­го ша­ри­ка рядом с очень боль­шой горой. Массу этой горы опре­де­ля­ли ос­нов­ным гео­ло­ги­че­ским спо­со­бом. Оце­нить гра­ви­та­ци­он­ную по­сто­ян­ную в дан­ном слу­чае уда­лось, но точ­ность ре­зуль­та­та была очень и очень низ­кая. Пер­вым че­ло­ве­ком, ко­то­ро­му уда­лось опре­де­лить гра­ви­та­ци­он­ную по­сто­ян­ную с до­ста­точ­ной точ­но­стью, был ещё один ан­глий­ский учё­ный, очень ин­те­рес­ный че­ло­век, Генри Ка­вен­диш. Он в конце XVIII века, в 1792 году, опре­де­лил гра­ви­та­ци­он­ную по­сто­ян­ную с по­мо­щью так на­зы­ва­е­мых, кру­тиль­ных весов. В ре­зуль­та­те от­кло­не­ния очень ма­лень­ких шаров, укреп­лён­ных на кру­тиль­ных весах, ему уда­лось уста­но­вить гра­ви­та­ци­он­ную по­сто­ян­ную. Её зна­че­ние со­ста­ви­ло . А вот еди­ни­ца из­ме­ре­ния у неё такая: .

Да­вай­те по­смот­рим на за­пись этой ве­ли­чи­ны:

В чём же фи­зи­че­ский смысл ве­ли­чи­ны? Фи­зи­че­ский смысл её за­клю­ча­ет­ся в том, что она по­ка­зы­ва­ет, что с имен­но такой ве­ли­чи­ной силы будут вза­и­мо­дей­ство­вать два тела, мас­сой по кг каж­дый, рас­по­ло­жен­ные на рас­сто­я­нии м.

Как вы ви­ди­те, эта ве­ли­чи­на, гра­ви­та­ци­он­ная по­сто­ян­ная, очень и очень ма­лень­кая. -11 сте­пень го­во­рит о мно­гом. По­это­му два тела, на­хо­дя­щи­е­ся рядом друг с дру­гом, два че­ло­ве­ка, на­при­мер, си­дя­щие за одной пар­той, не могут ощу­тить этого гра­ви­та­ци­он­но­го вза­и­мо­дей­ствия. Ну, если кто-то из вас удо­су­жить­ся по­счи­тать, то мо­же­те опре­де­лить, что сила вза­и­мо­дей­ствия двух тел, мас­сой каж­дое по 60 кг, рас­по­ло­жен­ных на рас­сто­я­нии при­бли­зи­тель­но­го од­но­го метра, со­став­ля­ет при­мер­но 3 на­но-N. То есть эти . Ко­неч­но, такую ве­ли­чи­ну мы прак­ти­че­ски не ощу­ща­ем. Но, тем не менее, она есть, она су­ще­ству­ет, и эта гра­ви­та­ци­он­ная ве­ли­чи­на вза­и­мо­дей­ствия обя­за­тель­но при­сут­ству­ет во всех на­блю­да­е­мых яв­ле­ни­ях, где встре­ча­ют­ся тела, у ко­то­рых есть масса.

В даль­ней­шем гра­ви­та­ци­он­ная по­сто­ян­ная толь­ко уточ­ня­лась. На се­го­дняш­ний день уже до­ста­точ­но боль­шое ко­ли­че­ство зна­ков этой ве­ли­чи­ны из­вест­но. И по­это­му, когда ис­поль­зу­ют­ся рас­че­ты, можно го­во­рить о том, что мы до­ста­точ­но хо­ро­шо можем опре­де­лить вза­и­мо­дей­ствие тел. Но необ­хо­ди­мо от­ме­тить то факт, что, ока­зы­ва­ет­ся, закон все­мир­но­го тя­го­те­ния, о ко­то­ром мы го­во­рим, имеет неко­то­рые огра­ни­че­ния. В том виде, в ко­то­ром мы его ис­поль­зу­ем в школе, мы долж­ны го­во­рить и об огра­ни­че­ни­ях. Огра­ни­че­ния, ко­то­рые свя­за­ны с за­ко­ном все­мир­но­го тя­го­те­ния, опре­де­ля­ют­ся сле­ду­ю­щим об­ра­зом.

Дело всё в том, что закон все­мир­но­го тя­го­те­ния ввели толь­ко для двух тел. Если, на­при­мер, вза­и­мо­дей­ству­ю­щих тел будет боль­ше, три, че­ты­ре или боль­ше, то уже ре­ше­ние задач в этом слу­чае вы­зы­ва­ет неко­то­рую слож­ность. Можно ре­шить, но не все­гда.

Сле­ду­ю­щее за­ме­ча­ние, ко­то­рое необ­хо­ди­мо от­ме­тить, огра­ни­че­ние этого за­ко­на – это то, что он спра­вед­лив для то­чеч­ных тел. Как это по­ни­мать? А это по­ни­мать сле­ду­ет таким об­ра­зом, что рас­сто­я­ние между те­ла­ми та­ко­во, что сами тела мы можем счи­тать ма­те­ри­аль­ны­ми точ­ка­ми.

Сле­ду­ю­щее очень важ­ное за­ме­ча­ние: мы можем ис­поль­зо­вать этот закон, если тела при­бли­жен­но яв­ля­ют­ся ша­ра­ми. Вот по­че­му мы можем этот закон ис­поль­зо­вать для опре­де­ле­ния вза­и­мо­дей­ствия Солн­ца и Луны. Это мы можем сде­лать по­то­му, что и Земля, и Луна в пер­вом при­бли­же­нии шары, ша­ро­об­раз­ные тела. По­это­му можно счи­тать их те­ла­ми пра­виль­ны­ми, массу можно счи­тать со­сре­до­то­чен­ной в цен­тре этих самых тел. Тогда этот закон вполне при­ме­ним.

И по­след­нее. Можно здесь от­ме­тить то, что можно ис­поль­зо­вать этот закон тогда, когда одно из тел то­чеч­ное, а дру­гое тело яв­ля­ет­ся шаром. На­при­мер, Земля и Солн­це. Дело в том, что Солн­це, ко­неч­но, это огром­ная звез­да, и по срав­не­нию с Солн­цем, рас­сто­я­ни­ем, ко­то­рое между Солн­цем и Зем­лёй, мы можем счи­тать Землю ма­те­ри­аль­ной точ­кой. В этом слу­чае мы можем закон все­мир­но­го тя­го­те­ния ис­поль­зо­вать для рас­че­та.

Точ­ные вы­чис­ле­ния гра­ви­та­ци­он­ной по­сто­ян­ной, закон все­мир­но­го тя­го­те­ния даёт воз­мож­ность опре­де­лить массу лю­бо­го небес­но­го тела, опре­де­лить рас­сто­я­ние между этими те­ла­ми, ско­рость, то есть очень мно­гие ве­ли­чи­ны, ко­то­рые мы рас­смат­ри­ва­ли. Об­ра­щаю ваше вни­ма­ние также на то, что из за­ко­на все­мир­но­го тя­го­те­ния сле­ду­ет воз­мож­ность опре­де­лить уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния тела, то есть его рас­счи­тать. Зная массу земли и зная ра­ди­ус Земли, ра­зу­ме­ет­ся, зная гра­ви­та­ци­он­ную по­сто­ян­ную, мы можем опре­де­лить уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния. Когда это было сде­ла­но, срав­ни­ли с дан­ны­ми, ко­то­рые по­лу­чил в своё время Га­ли­лей, ко­неч­но, было по­нят­но, что они сов­па­ли. Ре­ше­ние этих задач со­вер­шен­но спра­вед­ли­во утвер­жде­но, со­вер­шен­но раз­ные спо­со­бы ис­сле­до­ва­ния при­ве­ли к од­но­му ре­зуль­та­ту.

Также можно го­во­рить о том, что мы можем опре­де­лить уско­ре­ние сво­бод­но­го по­лё­та не толь­ко на земле, но и на дру­гих пла­не­тах. По­это­му с этого мо­мен­та мы можем го­во­рить о том, как можно до­брать­ся до этих пла­нет, и, есте­ствен­но, как на них вы­са­жи­вать­ся. Ну, на­при­мер, вы те­перь мо­же­те пред­по­ла­гать такую вещь, что мы можем вы­са­дить­ся и на Марс, и на Ве­не­ру. А вот на такие пла­не­ты, как Са­турн, или на такую пла­не­ту, как Юпи­тер, че­ло­век ни­ко­гда не по­ле­тит. На спут­ни­ки, ко­то­рые рядом с этими пла­не­та­ми рас­по­ла­га­ют­ся, мы можем при­ле­теть и спо­кой­но про­во­дить там ка­кие-ни­будь ра­бо­ты. Но на саму пла­не­ту мы опу­стить­ся ни­ко­гда не смо­жем. Масса их на­столь­ко ве­ли­ка, что об­рат­но мы не взле­тим. Мы про­сто по­гиб­нем при по­сад­ке.

Необ­хо­ди­мо от­ме­тить ещё и то, что на Земле уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния, о ко­то­ром мы го­во­ри­ли, может дать воз­мож­ность опре­де­ле­ния за­ле­жей по­лез­ных ис­ко­па­е­мых. Как это де­ла­ет­ся? Это до­ста­точ­но лю­бо­пыт­ная вещь. Из­ме­ряя уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния в раз­ных ме­стах Земли, мы можем опре­де­лить его из­ме­не­ния. Это го­во­рит о том, что ме­ня­ет­ся плот­ность Земли в неко­то­рых её ме­стах. А раз плот­ность ме­ня­ет­ся, мы можем го­во­рить о за­ле­жах по­лез­ных ис­ко­па­е­мых. Ну, на­при­мер, умень­ша­ет­ся плот­ность, зна­чит, на ка­кой-то глу­бине на­хо­дит­ся газ или нефть. Если плот­ность, на­о­бо­рот, уве­ли­чи­ва­ет­ся, то со­от­вет­ствен­но из­ме­ня­ет­ся уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния. Это го­во­рит о том, что есть за­ле­жи ка­ких-то руд. Это может быть же­ле­зо или ка­кие-то дру­гие по­лез­ные ис­ко­па­е­мые, по плот­но­сти своей до­ста­точ­но боль­шие.

В за­клю­че­ние можно от­ме­тить тот факт, что закон все­мир­но­го тя­го­те­ния яв­ля­ет­ся одним из ос­нов­ных за­ко­нов при­ро­ды. И, ко­неч­но же, мы долж­ны по­ни­мать, что этот закон ис­поль­зу­ет­ся, он со­вре­ме­нен, он ис­поль­зу­ет­ся по сию пору везде, где этого тре­бу­ет наша де­я­тель­ность. То есть за­пуск кос­ми­че­ских ко­раб­лей, кос­ми­че­ские ис­сле­до­ва­ния, аст­ро­но­ми­че­ские на­блю­де­ния и про­чее.

Последнее изменение: Среда, 6 Июнь 2018, 16:08