« Física - Grado 10 "
¿Por qué la luna se mueve alrededor de la tierra?
¿Qué pasa si la luna se detiene?
¿Por qué los planetas giran alrededor del sol?
En el Capítulo 1, se dijo en detalle que el globo imparte la misma aceleración a todos los cuerpos cercanos a la superficie de la Tierra: la aceleración de la gravedad. Pero si el globo imparte aceleración al cuerpo, entonces, según la segunda ley de Newton, actúa sobre el cuerpo con cierta fuerza. La fuerza con la que la Tierra actúa sobre el cuerpo se llama por gravedad... Primero, encontraremos esta fuerza y \u200b\u200bluego consideraremos la fuerza de gravitación universal.
El módulo de aceleración se determina a partir de la segunda ley de Newton:
En el caso general, depende de la fuerza que actúa sobre el cuerpo y su masa. Dado que la aceleración de la gravedad no depende de la masa, está claro que la fuerza de la gravedad debe ser proporcional a la masa:
La cantidad física es la aceleración de la gravedad, es constante para todos los cuerpos.
Con base en la fórmula F \u003d mg, se puede indicar un método simple y prácticamente conveniente para medir las masas corporales comparando la masa de un cuerpo dado con una unidad estándar de masa. La relación de las masas de dos cuerpos es igual a la relación de las fuerzas de gravedad que actúan sobre los cuerpos:
Esto significa que las masas de los cuerpos son las mismas si las fuerzas de gravedad que actúan sobre ellos son las mismas.
Esta es la base para la determinación de masas pesando sobre una balanza de resorte o de viga. Al asegurarnos de que la fuerza de presión del cuerpo sobre el plato de pesaje, igual a la fuerza de gravedad aplicada al cuerpo, se equilibra con la fuerza de presión de las pesas sobre el otro plato, igual a la fuerza de gravedad aplicada a las pesas, determinamos así la masa del cuerpo.
La fuerza de gravedad que actúa sobre un cuerpo dado cerca de la Tierra puede considerarse constante solo en una determinada latitud cerca de la superficie de la Tierra. Si el cuerpo se levanta o se mueve a un lugar con una latitud diferente, entonces la aceleración de la gravedad y, por lo tanto, la fuerza de la gravedad cambiará.
La fuerza de la gravedad.
Newton fue el primero en demostrar rigurosamente que el motivo de la caída de una piedra en la Tierra, el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra y los planetas alrededor del Sol, es el mismo. eso fuerza gravitacionalactuando entre cualquier cuerpo del universo.
Newton llegó a la conclusión de que si no fuera por la resistencia del aire, entonces la trayectoria de una piedra lanzada desde una montaña alta (figura 3.1) a una cierta velocidad podría llegar a ser tal que nunca llegaría a la superficie de la Tierra, sino que se movería a su alrededor como cómo los planetas describen sus órbitas en el espacio celestial.
Newton encontró esta razón y pudo expresarla con precisión en forma de una fórmula: la ley de la gravitación universal.
Dado que la fuerza de gravitación universal imparte a todos los cuerpos la misma aceleración independientemente de su masa, debe ser proporcional a la masa del cuerpo sobre el que actúa:
"La gravitación existe hacia todos los cuerpos en general y es proporcional a la masa de cada uno de ellos ... todos los planetas gravitan entre sí ..." I. Newton
Pero como, por ejemplo, la Tierra actúa sobre la Luna con una fuerza proporcional a la masa de la Luna, entonces la Luna, según la tercera ley de Newton, debe actuar sobre la Tierra con la misma fuerza. Además, esta fuerza debería ser proporcional a la masa de la Tierra. Si la fuerza gravitacional es verdaderamente universal, entonces una fuerza proporcional a la masa de este otro cuerpo debería actuar desde el lado de un cuerpo dado sobre cualquier otro cuerpo. En consecuencia, la fuerza de la gravitación universal debería ser proporcional al producto de las masas de los cuerpos que interactúan. De ahí sigue la formulación de la ley de la gravitación universal.
La ley de la gravitación universal:
La fuerza de atracción mutua de dos cuerpos es directamente proporcional al producto de las masas de estos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos:
La relación de aspecto G se llama constante gravitacional.
La constante gravitacional es numéricamente igual a la fuerza de atracción entre dos puntos materiales que pesan 1 kg cada uno, si la distancia entre ellos es 1 m. De hecho, con masas m 1 \u003d m 2 \u003d 1 kg y una distancia r \u003d 1 m, obtenemos G \u003d F (numéricamente).
Debe tenerse en cuenta que la ley de la gravitación universal (3.4) como ley universal es válida para los puntos materiales. En este caso, las fuerzas de interacción gravitacional se dirigen a lo largo de la línea que conecta estos puntos (figura 3.2, a).
Se puede demostrar que los cuerpos homogéneos con forma de bola (incluso si no pueden considerarse puntos materiales, figura 3.2, b), también interactúan con la fuerza determinada por la fórmula (3.4). En este caso, r es la distancia entre los centros de las bolas. Las fuerzas de atracción mutua se encuentran en una línea recta que pasa por los centros de las bolas. Tales fuerzas se llaman central... Los cuerpos, cuya caída a la Tierra solemos considerar, tienen dimensiones mucho menores que el radio de la Tierra (R ≈ 6400 km).
Estos cuerpos, independientemente de su forma, pueden considerarse puntos materiales y la fuerza de su atracción hacia la Tierra puede determinarse mediante la ley (3.4), teniendo en cuenta que r es la distancia de un cuerpo dado al centro de la Tierra.
Una piedra arrojada a la Tierra se desviará del camino recto bajo la influencia de la gravedad y, habiendo descrito una trayectoria curva, finalmente caerá a la Tierra. Si lo lanza a mayor velocidad, caerá más ". Yo Newton
Determinación de la constante gravitacional.
Ahora averigüemos cómo puede encontrar la constante gravitacional. En primer lugar, observamos que G tiene un nombre definido. Esto se debe al hecho de que las unidades (y, en consecuencia, los nombres) de todas las cantidades incluidas en la ley de la gravitación universal ya se establecieron anteriormente. La ley de la gravitación da una nueva conexión entre las cantidades conocidas con ciertos nombres de unidades. Por eso el coeficiente resulta ser una cantidad con nombre. Usando la fórmula de la ley de la gravitación universal, es fácil encontrar el nombre de la unidad de la constante gravitacional en SI: N m 2 / kg 2 \u003d m 3 / (kg s 2).
Para determinar cuantitativamente G, es necesario determinar de forma independiente todas las cantidades incluidas en la ley de gravitación universal: ambas masas, fuerza y \u200b\u200bdistancia entre cuerpos.
La dificultad radica en el hecho de que las fuerzas gravitacionales entre cuerpos de pequeñas masas son extremadamente pequeñas. Es por esta razón que no notamos la atracción de nuestro cuerpo por los objetos circundantes y la atracción mutua de los objetos entre sí, aunque las fuerzas gravitacionales son las más universales de todas las fuerzas de la naturaleza. Dos personas que pesan 60 kg a una distancia de 1 m entre sí son atraídas con una fuerza de sólo 10 -9 N. Por tanto, para medir la constante gravitacional, se necesitan experimentos bastante sutiles.
Por primera vez, el físico inglés G. Cavendish midió la constante gravitacional en 1798 utilizando un instrumento llamado balanza de torsión. El diagrama del balance de torsión se muestra en la Figura 3.3. Un balancín ligero con dos pesos idénticos en los extremos está suspendido de un delgado hilo elástico. Dos bolas pesadas se fijan cerca. Las fuerzas de gravedad actúan entre los pesos y las bolas estacionarias. Bajo la influencia de estas fuerzas, la viga gira y retuerce el hilo hasta que la fuerza elástica resultante se vuelve igual a la fuerza gravitacional. El ángulo de giro se puede utilizar para determinar la fuerza de atracción. Para hacer esto, solo necesita conocer las propiedades elásticas del hilo. Se conocen las masas de los cuerpos y se puede medir directamente la distancia entre los centros de los cuerpos que interactúan.
A partir de estos experimentos, se obtuvo el siguiente valor para la constante gravitacional:
G \u003d 6,67 10-11 N m 2 / kg 2.
Solo en el caso de que interactúen cuerpos de grandes masas (o al menos la masa de uno de los cuerpos sea muy grande), la fuerza gravitacional alcanza un valor grande. Por ejemplo, la Tierra y la Luna se atraen entre sí con una fuerza F ≈ 2 10 20 N.
Dependencia de la aceleración de la caída libre de los cuerpos en la latitud.
Una de las razones del aumento en la aceleración de la gravedad cuando el punto donde se encuentra el cuerpo, desde el ecuador hasta los polos, es que el globo se aplanará un poco en los polos y la distancia desde el centro de la Tierra a su superficie en los polos es menor que en el ecuador. Otra razón es la rotación de la Tierra.
Igualdad de masas inertes y gravitacionales.
La propiedad más sorprendente de las fuerzas gravitacionales es que imparten la misma aceleración a todos los cuerpos, independientemente de su masa. ¿Qué dirías de un futbolista cuya patada aceleraría igualmente una pelota de cuero común y una pesa rusa de dos libras? Todos dirán que esto es imposible. Pero la Tierra es un "jugador de fútbol extraordinario" con la única diferencia de que su efecto sobre el cuerpo no es de la naturaleza de un golpe a corto plazo, sino que continúa continuamente durante miles de millones de años.
En la teoría de Newton, la masa es la fuente del campo gravitacional. Estamos en el campo gravitacional de la Tierra. Al mismo tiempo, también somos fuentes del campo gravitacional, pero debido al hecho de que nuestra masa es mucho menor que la masa de la Tierra, nuestro campo es mucho más débil y los objetos circundantes no reaccionan a él.
La propiedad extraordinaria de las fuerzas gravitacionales, como ya dijimos, se explica por el hecho de que estas fuerzas son proporcionales a las masas de ambos cuerpos en interacción. La masa de un cuerpo, que está incluida en la segunda ley de Newton, determina las propiedades inertes del cuerpo, es decir, su capacidad para adquirir una cierta aceleración bajo la acción de una fuerza dada. eso masa inerte my.
Al parecer, ¿qué tiene que ver con la capacidad de los cuerpos para atraerse entre sí? La masa, que determina la capacidad de los cuerpos para atraerse entre sí, es la masa gravitacional m r.
De la mecánica newtoniana no se sigue en absoluto que las masas inercial y gravitacional sean iguales, es decir, que
my \u003d m r. (3,5)
La igualdad (3.5) es una consecuencia directa de la experiencia. Significa que simplemente podemos hablar de la masa de un cuerpo como una medida cuantitativa de sus propiedades inertes y gravitacionales.
La ley de la gravitación fue descubierta por Newton en 1687 cuando estudiaba el movimiento del satélite de la luna alrededor de la Tierra. El físico inglés formuló claramente el postulado que caracteriza a las fuerzas de atracción. Además, al analizar las leyes de Kepler, Newton calculó que las fuerzas de atracción deberían existir no solo en nuestro planeta, sino también en el espacio.
Historia del problema
La ley de la gravitación universal no nació espontáneamente. Desde la antigüedad, la gente ha estudiado el firmamento, principalmente para compilar calendarios agrícolas, calcular fechas importantes y fiestas religiosas. Las observaciones indicaron que en el centro del "mundo" hay un Luminario (el Sol), alrededor del cual los cuerpos celestes giran en órbitas. Posteriormente, los dogmas de la iglesia no permitieron pensar así, y la gente perdió el conocimiento acumulado durante miles de años.
En el siglo XVI, antes de la invención de los telescopios, apareció una galaxia de astrónomos que miraban al cielo de forma científica, descartando las prohibiciones de la iglesia. T. Brahe, observando el espacio durante muchos años, sistematizó los movimientos planetarios con especial cuidado. Estos datos de alta precisión ayudaron a I. Kepler a descubrir sus tres leyes más tarde.
En el momento del descubrimiento (1667) por Isaac Newton de la ley de la gravitación en astronomía, finalmente se estableció el sistema heliocéntrico del mundo de N. Copérnico. Según ella, cada uno de los planetas del sistema gira alrededor del Luminary en órbitas, las cuales, con una aproximación suficiente para muchos cálculos, pueden considerarse circulares. A principios del siglo XVII. I. Kepler, analizando el trabajo de T. Brahe, estableció las leyes cinemáticas que caracterizan el movimiento de los planetas. El descubrimiento se convirtió en la base para dilucidar la dinámica del movimiento de los planetas, es decir, las fuerzas que determinan exactamente este tipo de movimiento.
Descripción de interacción
A diferencia de las interacciones débiles y fuertes de período corto, los campos de gravedad y electromagnéticos tienen propiedades de largo alcance: su influencia se manifiesta a distancias gigantes. Los fenómenos mecánicos en el macrocosmos están influenciados por 2 fuerzas: electromagnética y gravitacional. El impacto de los planetas sobre los satélites, el vuelo de un objeto arrojado o lanzado, la flotación de un cuerpo en un líquido: en cada uno de estos fenómenos, actúan las fuerzas gravitacionales. Estos objetos son atraídos por el planeta, gravitan hacia él, de ahí el nombre de "la ley de la gravitación universal".
Está comprobado que la fuerza de atracción mutua actúa incondicionalmente entre cuerpos físicos. Fenómenos como la caída de objetos en la Tierra, la rotación de la Luna, los planetas alrededor del Sol, que ocurren bajo la acción de las fuerzas de atracción universal, se denominan gravitacionales.
La ley de la gravitación universal: fórmula
La gravitación universal se formula de la siguiente manera: dos objetos materiales cualesquiera se atraen entre sí con cierta fuerza. La magnitud de esta fuerza es directamente proporcional al producto de las masas de estos objetos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos:
En la fórmula, m1 y m2 son las masas de los objetos materiales estudiados; r es la distancia determinada entre los centros de masa de los objetos calculados; G es una cantidad gravitacional constante que expresa la fuerza con la que se lleva a cabo la atracción mutua de dos objetos de 1 kg cada uno, situados a 1 m de distancia.
¿Qué determina la fuerza de atracción?
La ley de la gravedad opera de manera diferente, dependiendo de la región. Dado que la fuerza de la gravedad depende de los valores de latitud en una ubicación particular, de manera similar, la aceleración de la gravedad tiene diferentes valores en diferentes lugares. La fuerza de la gravedad y, en consecuencia, la aceleración de la gravedad tienen el valor máximo en los polos de la Tierra; la fuerza de la gravedad en estos puntos es igual a la fuerza de la gravedad. Los valores mínimos estarán en el ecuador.
El globo está ligeramente aplanado, su radio polar es menor que el ecuatorial en unos 21,5 km. Sin embargo, esta dependencia es menos significativa en comparación con la rotación diaria de la Tierra. Los cálculos muestran que debido al aplanamiento de la Tierra en el ecuador, la aceleración debida a la gravedad es ligeramente menor que su valor en el polo en un 0,18%, y después de la rotación diaria, en un 0,34%.
Sin embargo, en el mismo lugar de la Tierra, el ángulo entre los vectores de dirección es pequeño, por lo que la discrepancia entre la fuerza de la gravedad y la fuerza de la gravedad es insignificante y puede despreciarse en los cálculos. Es decir, podemos asumir que los módulos de estas fuerzas son los mismos: la aceleración de la gravedad cerca de la superficie de la Tierra es la misma en todas partes y es igual a aproximadamente 9,8 m / s².
Conclusión
Isaac Newton fue un científico que hizo una revolución científica, reconstruyó por completo los principios de la dinámica y, sobre su base, creó una imagen científica del mundo. Su descubrimiento influyó en el desarrollo de la ciencia, la creación de cultura material y espiritual. El destino de Newton recayó en la tarea de revisar los resultados de la idea del mundo. En el siglo XVII. Los científicos han completado un tremendo trabajo para construir las bases de una nueva ciencia: la física.
La fuerza gravitacional es la fuerza con la que los cuerpos de cierta masa, ubicados a una cierta distancia entre sí, se atraen entre sí.
El científico inglés Isaac Newton en 1867 descubrió la ley de la gravitación universal. Esta es una de las leyes fundamentales de la mecánica. La esencia de esta ley es la siguiente:cualesquiera dos partículas materiales se atraen entre sí con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.
La fuerza de atracción es la primera fuerza que siente una persona. Esta es la fuerza con la que la Tierra actúa sobre todos los cuerpos de su superficie. Y cualquier persona siente esta fuerza como su propio peso.
La ley de la gravitación universal
Existe una leyenda de que Newton descubrió la ley de la gravitación universal por accidente, caminando al atardecer en el jardín de sus padres. Las personas creativas están en constante búsqueda y los descubrimientos científicos no son conocimientos instantáneos, sino el fruto de un trabajo mental a largo plazo. Sentado debajo de un manzano, Newton estaba comprendiendo otra idea y, de repente, una manzana le cayó sobre la cabeza. Newton tenía claro que la manzana se cayó como resultado de la gravedad de la Tierra. “¿Pero por qué la Luna no cae a la Tierra? el se preguntó. "Significa que alguna otra fuerza actúa sobre él, manteniéndolo en órbita". Así es como el famoso la ley de la gravitación.
Los científicos que habían estudiado previamente la rotación de los cuerpos celestes creían que los cuerpos celestes obedecían algunas leyes completamente diferentes. Es decir, se asumió que existen leyes de atracción completamente diferentes en la superficie de la Tierra y en el espacio.
Newton combinó estas supuestas formas de gravedad. Al analizar las leyes de Kepler que describen el movimiento de los planetas, llegó a la conclusión de que la fuerza de atracción surge entre cualquier cuerpo. Es decir, tanto la manzana que cayó en el jardín como los planetas en el espacio son afectados por fuerzas que obedecen a la misma ley: la ley de la gravitación universal.
Newton estableció que las leyes de Kepler son válidas solo si existe una fuerza de atracción entre los planetas. Y esta fuerza es directamente proporcional a las masas de los planetas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
La fuerza de atracción se calcula mediante la fórmula F \u003d G m 1 m 2 / r 2
m 1 - la masa del primer cuerpo;
m 2 - la masa del segundo cuerpo;
r - distancia entre cuerpos;
GRAMO - coeficiente de proporcionalidad, que se llama constante gravitacional o gravitación constante.
Su valor se determinó experimentalmente. GRAMO \u003d 6,67 · 10-11 Nm 2 / kg 2
Si dos puntos materiales con una masa igual a una unidad de masa están a una distancia igual a una unidad de distancia, entonces son atraídos con una fuerza igual aGRAMO.
Las fuerzas de atracción son fuerzas gravitacionales. También se les llama fuerzas de gravedad... Están sujetos a la ley de la gravitación universal y se manifiestan en todas partes, ya que todos los cuerpos tienen masa.
La fuerza de la gravedad
La fuerza gravitacional cerca de la superficie de la tierra es la fuerza con la que todos los cuerpos son atraídos hacia la tierra. Ellos la llaman por gravedad... Se considera constante si la distancia del cuerpo a la superficie de la Tierra es pequeña en comparación con el radio de la Tierra.
Dado que la fuerza de la gravedad, que es la fuerza gravitacional, depende de la masa y el radio del planeta, será diferente en los diferentes planetas. Dado que el radio de la Luna es menor que el radio de la Tierra, entonces la fuerza de gravedad en la Luna es 6 veces menor que en la Tierra. Y en Júpiter, por el contrario, la gravedad es 2,4 veces mayor que la gravedad en la Tierra. Pero el peso corporal permanece constante, sin importar dónde se mida.
Mucha gente confunde el significado de peso y gravedad, creyendo que la gravedad siempre es igual al peso. Pero este no es el caso.
La fuerza con la que el cuerpo presiona el soporte o estira la suspensión es el peso. Si quita el soporte o suspensión, el cuerpo comenzará a caer con la aceleración de la caída libre bajo la fuerza de la gravedad. La gravedad es proporcional al peso corporal. Se calcula mediante la fórmulaF\u003d m gramo , dónde metro - masa corporal, g -aceleración de la gravedad.
El peso corporal puede cambiar y, a veces, desaparecer por completo. Imaginemos que estamos en el ascensor del último piso. El ascensor está parado. En este momento, nuestro peso P y la fuerza de gravedad F con la que nos atrae la Tierra son iguales. Pero tan pronto como el ascensor empezó a descender con aceleración y , el peso y la gravedad ya no son iguales. Según la segunda ley de Newtonmg+ P \u003d ma. P \u003d m g -mamá.
La fórmula muestra que nuestro peso ha disminuido a medida que bajamos.
En el momento en que el elevador gana velocidad y comienza a moverse sin aceleración, nuestro peso vuelve a ser igual a la fuerza de gravedad. Y cuando el ascensor empezó a reducir la velocidad, la aceleración yse volvió negativo y el peso aumentó. Se produce una sobrecarga.
Y si el cuerpo se mueve hacia abajo con la aceleración de la gravedad, entonces el peso será completamente cero.
Cuando una=gramo R\u003d mg-ma \u003d mg - mg \u003d 0
Este es un estado de ingravidez.
Entonces, sin excepción, todos los cuerpos materiales en el Universo obedecen la ley de la gravitación universal. Y los planetas alrededor del Sol, y todos los cuerpos ubicados en la superficie de la Tierra.
No solo el más misterioso de fuerzas de la naturalezapero también el más poderoso.
Hombre en el camino del progreso
Históricamente, resultó que persona a medida que avanza caminos de progreso se apoderó de fuerzas cada vez más poderosas de la naturaleza. Comenzó cuando no tenía nada más que un palo en el puño y su propia fuerza física.
Pero era sabio y atraía la fuerza física de los animales a su servicio, haciéndolos domésticos. El caballo aceleró su carrera, el camello hizo transitable el desierto, el elefante hizo la jungla pantanosa. Pero la fuerza física de incluso los animales más poderosos es inconmensurablemente pequeña frente a las fuerzas de la naturaleza.
El primer hombre sometió el elemento fuego, pero solo en sus versiones más debilitadas. Al principio, durante muchos siglos, utilizó solo madera como combustible, un tipo de combustible de muy bajo consumo energético. Un poco más tarde esta fuente de energía aprendió a usar la energía del viento, un hombre levantó el ala blanca de una vela en el aire - y un barco ligero voló como un pájaro sobre las olas.
Velero sobre las olas
Expuso las aspas de un molino de viento a las ráfagas de viento, y las pesadas piedras de las muelas giraban, las manos de los molinos repiqueteaban. Pero está claro para todos que la energía de los chorros de aire está lejos de estar concentrada. Además, tanto la vela como el molino temían los golpes del viento: la tormenta rompía velas y hundía barcos, la tormenta rompía las alas y volcaba los molinos.
Más tarde, el hombre comenzó a conquistar el agua que fluía. La rueda no solo es el más primitivo de los dispositivos capaces de convertir la energía del agua en un movimiento giratorio, sino también el menos potente en comparación con varios.
El hombre caminó todo el camino hacia adelante en la escalera del progreso y necesitaba más y más energía.
Comenzó a usar nuevos tipos de combustible; ya la transición a la quema de carbón ha elevado el consumo de energía de un kilogramo de combustible de 2500 kcal a 7000 kcal, casi tres veces. Luego llegó el momento del petróleo y el gas. El contenido de energía de cada kilogramo de combustibles fósiles ha aumentado de nuevo entre una y media y dos veces.
Las máquinas de vapor fueron reemplazadas por turbinas de vapor; las ruedas del molino fueron reemplazadas por turbinas hidráulicas. Luego, el hombre extendió la mano hacia el átomo de uranio que se estaba fisionando. Sin embargo, el primer uso de un nuevo tipo de energía tuvo consecuencias trágicas: la llama nuclear de Hiroshima en 1945 incineró 70 mil corazones humanos en cuestión de minutos.
En 1954 entró en funcionamiento la primera central nuclear soviética del mundo, que transformó la energía del uranio en una energía radiante de corriente eléctrica. Y cabe señalar que un kilogramo de uranio contiene dos millones de veces más energía que un kilogramo del mejor aceite.
Era un fuego fundamentalmente nuevo que podría llamarse físico, porque fueron los físicos quienes estudiaron los procesos que condujeron al nacimiento de cantidades tan fabulosas de energía.
El uranio no es el único combustible nuclear. Ya se está utilizando un tipo de combustible más potente: los isótopos de hidrógeno.
Desafortunadamente, el hombre aún no ha podido dominar la llama nuclear de hidrógeno-helio. Sabe cómo encender su fuego ardiente por un momento, encendiendo la reacción en la bomba de hidrógeno con el destello de una explosión de uranio. Pero cada vez más cerca, los científicos ven un reactor de hidrógeno, que generará una corriente eléctrica como resultado de la fusión de núcleos de isótopos de hidrógeno en núcleos de helio.
Nuevamente, la cantidad de energía que una persona puede tomar de cada kilogramo de combustible aumentará casi diez veces. Pero, ¿será este paso el último en la historia venidera del poder de la humanidad sobre las fuerzas de la naturaleza?
¡No! Por delante está el dominio de la forma gravitacional de energía. Es incluso más prudente por naturaleza que la energía de la fusión de hidrógeno y helio. Hoy en día es la forma de energía más concentrada que una persona puede imaginar.
Allí no se puede ver nada más allá de la vanguardia de la ciencia. Y aunque podemos decir con seguridad que las plantas de energía funcionarán para los humanos, convirtiendo la energía gravitacional en corriente eléctrica (o tal vez en una corriente de gas que escapa de la boquilla de un motor a reacción, o en la transformación planificada de los omnipresentes átomos de silicio y oxígeno en átomos de metales superraros), todavía no podemos decir nada sobre los detalles de dicha central eléctrica (motor de cohete, reactor físico).
La fuerza de la gravedad en el origen del nacimiento de las galaxias.
La fuerza de la gravedad universal está en el origen del nacimiento de las galaxias. de materia prestelar, como está convencido el académico V.A. Ambartsumyan. También extingue las estrellas que han consumido su tiempo y han gastado el combustible estelar liberado por ellas al nacer.
Sí, mire a su alrededor: y aquí en la Tierra todo está controlado en gran medida por esta fuerza.
Esto determina la estructura en capas de nuestro planeta: la alternancia de la litosfera, la hidrosfera y la atmósfera. Es ella quien guarda una gruesa capa de gases del aire, en cuyo fondo y gracias a los cuales todos existimos.
Si no fuera por la gravedad, la Tierra caería inmediatamente de su órbita alrededor del Sol, y la propia esfera de la Tierra se desmoronaría, destrozada por fuerzas centrífugas. Es difícil encontrar algo que no dependa más o menos de la fuerza de gravedad.
Por supuesto, los filósofos antiguos, gente muy observadora, no pudieron evitar notar que una piedra lanzada hacia arriba siempre regresa. Platón en el siglo IV a.C. explicó esto por el hecho de que todas las sustancias del Universo tienden a donde se concentran la mayoría de sustancias similares: una piedra arrojada cae al suelo o va al fondo, el agua derramada se filtra en el estanque más cercano o en un río que se dirige al mar. , el humo del fuego se precipita a sus nubes afines.
Un estudiante de Platón, Aristóteles, aclaró que todos los cuerpos tienen propiedades especiales de pesadez y ligereza. Los cuerpos pesados \u200b\u200b(piedras, metales) se precipitan hacia el centro del Universo, los cuerpos ligeros (fuego, humo, vapores) hacia la periferia. Esta hipótesis, que explica algunos de los fenómenos asociados a la fuerza de la gravedad, existió durante más de 2 mil años.
Científicos sobre la fuerza de la gravedad
Probablemente el primero en plantear la cuestión de la fuerza de la gravedad realmente científico, fue el genio del Renacimiento - Leonardo da Vinci. Leonardo proclamó que la gravedad no es exclusiva de la Tierra, que hay muchos centros de gravedad. Y también expresó la idea de que la fuerza de gravedad depende de la distancia al centro de gravedad.
Las obras de Copérnico, Galileo, Kepler, Robert Hooke acercaron cada vez más la idea de la ley de la gravitación universal, pero en su formulación final esta ley se asocia para siempre con el nombre de Isaac Newton.
Isaac Newton sobre la fuerza de la gravedad
Nació el 4 de enero de 1643. Se graduó de la Universidad de Cambridge, se convirtió en un soltero y luego en un maestro en ciencias.
Isaac Newton Todo más lejos: una riqueza infinita de trabajos científicos. Pero su trabajo principal es "Principios matemáticos de la filosofía natural", publicado en 1687 y generalmente llamado simplemente "Principios". En ellos se formula el grande. Probablemente todos lo recuerden de la escuela secundaria.
Todos los cuerpos se atraen entre sí con una fuerza directamente proporcional al producto de las masas de estos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos ...
Los predecesores de Newton podrían anticipar algunas de las disposiciones de esta formulación, pero nadie la ha aprendido todavía por completo. Fue necesario el genio de Newton para reunir estos fragmentos en un solo todo con el fin de difundir la gravedad de la Tierra a la Luna y el Sol a todo el sistema planetario.
De la ley de la gravitación universal, Newton derivó todas las leyes del movimiento de los planetas, previamente descubiertas por Kepler. Resultó ser solo sus consecuencias. Además, Newton demostró que no solo las leyes de Kepler, sino también las desviaciones de estas leyes (en el mundo de tres o más cuerpos) son una consecuencia de la gravitación universal ... Este fue un gran triunfo de la ciencia.
Parecía que la fuerza principal de la naturaleza, que impulsa los mundos, la fuerza que está sujeta a las moléculas de aire, las manzanas y el Sol, finalmente se descubrió y describió matemáticamente. Newton dio un paso gigantesco, inmensamente enorme.
El primer divulgador de las obras del brillante científico, el escritor francés François Marie Arouet, mundialmente famoso bajo el seudónimo de Voltaire, dijo que Newton se dio cuenta de repente de la existencia de la ley que lleva su nombre cuando miró una manzana que caía.
El propio Newton nunca mencionó esta manzana. Y no vale la pena perder el tiempo hoy para refutar esta hermosa leyenda. Y, aparentemente, Newton llegó a comprender el gran poder de la naturaleza por medio del razonamiento lógico. Probablemente, fue precisamente esto lo que entró en el capítulo correspondiente de los "Elementos".
La fuerza de la gravedad afecta el vuelo del núcleo.
Supongamos que en una montaña muy alta, tan alta que su pico ya está fuera de la atmósfera, hemos colocado una gigantesca pieza de artillería. El cañón se colocó estrictamente paralelo a la superficie del globo y se disparó. Habiendo descrito el arco, el núcleo cae a la tierra.
Aumentamos la carga, mejoramos la calidad de la pólvora, de una forma u otra forzamos al núcleo a moverse a mayor velocidad después del siguiente disparo. El arco descrito por el núcleo se vuelve más plano. El núcleo cae mucho más lejos del pie de nuestra montaña.
También aumentamos la carga y disparamos. El núcleo vuela a lo largo de una trayectoria tan suave que desciende en paralelo a la superficie del globo. El núcleo ya no puede caer a la Tierra: con la misma velocidad con la que desciende, la Tierra se escapa por debajo. Y, habiendo descrito el anillo alrededor de nuestro planeta, el núcleo vuelve al punto de partida.
La pistola se puede quitar mientras tanto. Después de todo, el vuelo del núcleo alrededor del globo tomará más de una hora. Y luego, el núcleo pasará rápidamente por la cima de la montaña y emprenderá una nueva circunnavegación de la Tierra. Caída, si, como acordamos, el núcleo no experimenta ninguna resistencia al aire, nunca podrá.
La velocidad del núcleo para esto debería ser cercana a los 8 km / seg. ¿Y si aumenta la velocidad del vuelo central? Primero volará en un arco, más plano que la curvatura de la superficie terrestre, y comenzará a alejarse de la tierra. Además, su velocidad disminuirá bajo la influencia de la gravedad terrestre.
Y finalmente, habiendo girado, comenzará, por así decirlo, a caer de regreso a la Tierra, pero pasará volando y cerrará no un círculo, sino una elipse. El núcleo se moverá alrededor de la Tierra exactamente de la misma manera que la Tierra se mueve alrededor del Sol, es decir, a lo largo de una elipse, en uno de cuyos focos será el centro de nuestro planeta.
Si aumenta aún más la velocidad inicial del núcleo, la elipse se estirará más. Puede estirar esta elipse para que el núcleo vuele a la órbita lunar o incluso mucho más lejos. Pero mientras la velocidad inicial de este núcleo no supere los 11,2 km / seg, seguirá siendo un satélite de la Tierra.
El núcleo, que recibió una velocidad de más de 11,2 km / s cuando se disparó, volará para siempre fuera de la Tierra a lo largo de una trayectoria parabólica. Si una elipse es una curva cerrada, entonces una parábola es una curva con dos ramas que van al infinito. Moviéndonos a lo largo de la elipse, por muy alargada que sea, inevitablemente volveremos sistemáticamente al punto de partida. Avanzando por una parábola, nunca volveremos al punto de partida.
Pero, habiendo abandonado la Tierra a esta velocidad, el núcleo aún no podrá volar hasta el infinito. La poderosa gravedad del Sol doblará la trayectoria de su vuelo, cerrándose a su alrededor como la trayectoria de un planeta. El núcleo se convertirá en la hermana de la Tierra, un pequeño planeta independiente de nuestra familia de planetas.
Para dirigir el núcleo fuera del sistema planetario, para vencer la atracción solar, es necesario informarle de una velocidad superior a 16.7 km / s, y dirigirlo para que la velocidad del propio movimiento de la Tierra se aplique a esta velocidad.
Una velocidad de unos 8 km / s (esta velocidad depende de la altura de la montaña desde la que dispara nuestro cañón) se llama velocidad circular, velocidades de 8 a 11,2 km / s - elíptica, de 11,2 a 16,7 km / s - parabólica y por encima de este número, liberando velocidades.
Cabe agregar aquí que los valores dados de estas velocidades son válidos solo para la Tierra. Si viviéramos en Marte, la velocidad circular sería mucho más fácil de alcanzar para nosotros: solo hay unos 3,6 km / s, y la velocidad parabólica es solo ligeramente superior a 5 km / s.
Pero enviar un núcleo en un vuelo espacial desde Júpiter sería mucho más difícil que desde la Tierra: la velocidad circular en este planeta es de 42,2 km / s, ¡y la velocidad parabólica es incluso de 61,8 km / s!
Sería muy difícil para los habitantes del Sol abandonar su mundo (si, por supuesto, tal pudiera existir). La velocidad circular de este gigante debería ser 437,6 y la velocidad de ruptura, ¡618,8 km / s!
Así, Newton a finales del siglo XVII, cien años antes del primer vuelo del globo de los hermanos Montgolfier lleno de aire caliente, doscientos años antes de los primeros vuelos del avión de los hermanos Wright y casi un cuarto de milenio antes de que despegaran los primeros cohetes de propulsión líquida, mostró el camino hacia el cielo para satélites y naves espaciales.
La fuerza de la gravedad universal es inherente a todas las esferas.
Mediante la ley de la gravitación Se descubrieron planetas desconocidos, se crearon hipótesis cosmogónicas sobre el origen del sistema solar. La principal fuerza de la naturaleza, que está sujeta a las estrellas, los planetas, las manzanas del jardín y las moléculas de gas de la atmósfera, ha sido descubierta y descrita matemáticamente.
Pero no conocemos el mecanismo de la gravitación universal. La gravitación newtoniana no explica, pero representa claramente el estado actual del movimiento planetario.
No sabemos qué, qué causa la interacción de todos los cuerpos del Universo. Y no se puede decir que Newton no estuviera interesado en esta razón. Durante muchos años reflexionó sobre su posible mecanismo.
Por cierto, esta es de hecho una fuerza extremadamente misteriosa. Una fuerza que se manifiesta a través de cientos de millones de kilómetros de espacio, desprovista, a primera vista, de cualquier formación material con la que se pueda explicar la transferencia de interacción.
Hipótesis de Newton
Y Newton recurrido a hipótesis sobre la existencia de cierto éter que supuestamente llena todo el Universo. En 1675, explicó la atracción a la Tierra por el hecho de que el éter que llena todo el Universo se precipita en corrientes continuas hacia el centro de la Tierra, capturando todos los objetos en este movimiento y creando la fuerza de gravedad. La misma corriente de éter se precipita hacia el Sol y, arrastrando planetas y cometas junto con él, proporciona sus trayectorias elípticas ...
Ésta no era una hipótesis muy convincente, aunque absolutamente matemáticamente lógica. Pero ahora, en 1679, Newton creó una nueva hipótesis para explicar el mecanismo de la gravitación. Esta vez dota al éter de la propiedad de tener una concentración diferente cerca de los planetas y lejos de ellos. Cuanto más lejos del centro del planeta, supuestamente más denso es el éter. Y tiene la capacidad de exprimir todos los cuerpos materiales de sus capas más densas a las menos densas. Y todos los cuerpos salen a la superficie de la Tierra.
En 1706, Newton niega tajantemente la existencia misma del éter. En 1717 volvió de nuevo a la hipótesis del éter exprimidor.
El brillante cerebro de Newton luchó por resolver el gran misterio y no lo encontró. Esto explica un lanzamiento tan brusco de lado a lado. A Newton le gustaba decir:
No hago hipótesis.
Y aunque, como solo pudimos estar convencidos, esto no es del todo cierto, definitivamente podemos afirmar algo más: Newton fue capaz de distinguir claramente entre cosas indiscutibles de hipótesis inestables y controvertidas. Y en los "Elementos" hay una fórmula de la gran ley, pero no hay intentos de explicar su mecanismo.
El gran físico legó este enigma al hombre del futuro. Murió en 1727.
No se ha resuelto aún hoy.
Se necesitaron dos siglos para discutir la esencia física de la ley de Newton. Y tal vez esta discusión no hubiera tocado la esencia misma de la ley, si hubiera respondido exactamente a todas las preguntas que se le hicieron.
Pero el caso es que con el tiempo resultó que esta ley no es universal. Que hay casos en los que no puede explicar tal o cual fenómeno. Aquí hay unos ejemplos.
La fuerza de gravedad en los cálculos de Seeeliger
El primero de ellos es la paradoja de Seeeliger. Considerando que el Universo es infinito y está uniformemente lleno de materia, Seeliger trató de calcular, de acuerdo con la ley de Newton, la fuerza de gravitación universal creada por toda la masa infinitamente grande del Universo infinito en algún punto.
No fue una tarea fácil desde el punto de vista de las matemáticas puras. Habiendo superado todas las dificultades de las transformaciones más complejas, Seeeliger descubrió que la fuerza de gravitación universal buscada es proporcional al radio del Universo. Y dado que este radio es igual al infinito, entonces la fuerza gravitacional debe ser infinitamente grande. Sin embargo, prácticamente no observamos esto. Esto significa que la ley de la gravitación universal no es aplicable a todo el Universo.
Sin embargo, también son posibles otras explicaciones de la paradoja. Por ejemplo, podemos suponer que la materia no llena uniformemente todo el Universo, pero su densidad disminuye gradualmente y, finalmente, en algún lugar muy lejano no hay materia en absoluto. Pero presentar tal cuadro significa admitir la posibilidad de la existencia de un espacio sin materia, lo que generalmente es absurdo.
Se puede suponer que la fuerza de la gravedad universal se debilita más rápido de lo que aumenta el cuadrado de la distancia. Pero esto arroja dudas sobre la asombrosa armonía de la ley de Newton. No, y esta explicación no satisfizo a los científicos. La paradoja siguió siendo una paradoja.
Observando el movimiento de Mercurio
Otro hecho, las acciones de la fuerza de gravitación universal, que no puede ser explicado por la ley de Newton, trajeron observando el movimiento de Mercurio - más cercano al planeta. Cálculos precisos de acuerdo con la ley de Newton mostraron que el perehelio, el punto de la elipse más cercano al Sol, a lo largo del cual se mueve Mercurio, debería moverse 531 segundos de arco en 100 años.
Y los astrónomos han descubierto que este desplazamiento es de 573 segundos de arco. Este exceso, 42 segundos de arco, tampoco pudo ser explicado por los científicos, utilizando solo fórmulas que surgen de la ley de Newton.
Explicó tanto la paradoja de Seeeliger, el desplazamiento del superhelio de Mercurio y muchos otros fenómenos paradójicos y hechos inexplicables. Albert Einstein, uno de los más grandes, si no el más grande físico de todos los tiempos y pueblos. Entre las pequeñas cosas molestas estaba la cuestión de viento etérico.
Los experimentos de Albert Michelson
Parecía que esta pregunta no se refería directamente al problema de la gravitación. Se relacionó con la óptica, con la luz. Más precisamente, para determinar su velocidad.
Por primera vez, un astrónomo danés determinó la velocidad de la luz Olaf Roemerobservando el eclipse de las lunas de Júpiter. Esto sucedió en 1675.
Físico estadounidense Albert Michelson a finales del siglo XVIII, realizó una serie de determinaciones de la velocidad de la luz en condiciones terrestres, utilizando los dispositivos que diseñó.
En 1927, dio el valor de 299796 + 4 km / s para la velocidad de la luz; esta era una precisión excelente para esos tiempos. Pero la esencia del asunto es diferente. En 1880, decidió investigar el viento etérico. Quería establecer finalmente la existencia de ese mismo éter, por cuya presencia intentaron explicar tanto la transmisión de la interacción gravitacional como la transmisión de ondas de luz.
Michelson fue probablemente el experimentador más notable de su tiempo. Tenía un equipo excelente. Y estaba casi seguro del éxito.
La esencia de la experiencia
Experiencia fue concebido así. La Tierra se mueve en su órbita a una velocidad de unos 30 km / s.... Se mueve a través del éter. Esto significa que la velocidad de la luz de una fuente frente al receptor en relación con el movimiento de la Tierra debería ser mayor que la de una fuente en el otro lado. En el primer caso, la velocidad del viento de éter debe sumarse a la velocidad de la luz; en el segundo caso, la velocidad de la luz debe disminuir en este valor.
Por supuesto, la velocidad de la órbita de la Tierra alrededor del Sol es solo una diezmilésima de la velocidad de la luz. Es muy difícil encontrar un término tan pequeño, pero no en vano se llamó a Michelson el rey de la precisión. Usó un método inteligente para capturar la diferencia "sutil" en la velocidad de los rayos de luz.
Dividió el rayo en dos corrientes iguales y las dirigió en direcciones mutuamente perpendiculares: a lo largo del meridiano y a lo largo del paralelo. Reflejados en los espejos, los rayos regresaron. Si el haz paralelo fue influenciado por el viento etéreo, cuando se agregó al haz meridional, deberían haber aparecido franjas de interferencia, las ondas de los dos haces estarían desfasadas.
Sin embargo, fue difícil para Michelson medir las trayectorias de ambos rayos con tanta precisión que eran exactamente iguales. Así que construyó el aparato de modo que no hubiera franjas y luego lo giró 90 grados.
El rayo meridional se convirtió en latitudinal y viceversa. Si hay viento etéreo, deberían aparecer rayas negras y claras debajo del ocular. Pero no fue así. Quizás, al girar el aparato, el científico lo movió.
Lo instaló al mediodía y lo aseguró. Después de todo, además de eso, todavía gira alrededor del eje. Y por lo tanto, en diferentes momentos del día, el rayo latitudinal ocupa una posición diferente en relación con el viento etérico que se aproxima. Ahora, cuando el dispositivo está estrictamente inmóvil, uno puede estar convencido de la precisión del experimento.
Nuevamente no hubo franjas de interferencia. El experimento se llevó a cabo muchas veces, y Michelson, y con él todos los físicos de la época, quedaron asombrados. ¡No había viento etérico! ¡La luz se movía en todas direcciones a la misma velocidad!
Nadie pudo explicar esto. Michelson repitió el experimento una y otra vez, mejoró el equipo y, finalmente, logró una precisión de medición casi increíble, un orden de magnitud mayor de lo necesario para el éxito del experimento. De nuevo, ¡nada!
Los experimentos de Albert Einstein
El siguiente gran paso en conocimiento de la fuerza de gravedad hecho Albert Einstein.
Una vez le preguntaron a Albert Einstein:
¿Cómo llegó a su teoría especial de la relatividad? ¿En qué circunstancias se te ocurrió esta ingeniosa suposición? El científico respondió: - Siempre me pareció que este era el caso.
Quizás no quería ser franco, quizás quería deshacerse del molesto interlocutor. Pero es difícil imaginar que la idea de las conexiones entre tiempo, espacio y velocidad, descubierta por Einstein, fuera innata.
No, por supuesto, primero una conjetura brilló, brillante como un rayo. Entonces comenzó su desarrollo. No, no hay contradicciones con los fenómenos conocidos. Y entonces aparecieron esas cinco páginas, saturadas de fórmulas, que fueron publicadas en una revista de física. Páginas que marcaron el comienzo de una nueva era en física.
Imagina una nave espacial volando por el espacio. Te lo advertimos de inmediato: la nave estelar es muy peculiar, una sobre la que no has leído en las historias de ciencia ficción. Su longitud es de 300 mil kilómetros y su velocidad es, digamos, 240 mil km / seg. Y esta nave espacial sobrevuela una de las plataformas intermedias en el espacio, sin detenerse en ella. A toda velocidad.
Uno de sus pasajeros está parado en la cubierta de la nave estelar con un reloj. Y usted y yo, el lector, estamos parados en una plataforma; su longitud debe corresponder al tamaño de la nave estelar, es decir, 300 mil kilómetros, porque de lo contrario no podrá adherirse a ella. Y también tenemos un reloj en nuestras manos.
Notamos que en el momento en que el morro de la nave estelar se acercó al borde trasero de nuestra plataforma, una linterna brilló sobre ella, iluminando el espacio a su alrededor. Un segundo después, el rayo de luz alcanzó el borde delantero de nuestra plataforma. No lo dudamos, porque conocemos la velocidad de la luz, y logramos detectar con precisión el momento correspondiente por el reloj. Y en una nave espacial ...
Pero la nave espacial volaba hacia el rayo de luz. Y definitivamente vimos que la luz iluminaba su popa en el momento en que estaba en algún lugar cerca del medio de la plataforma. Definitivamente vimos que el haz de luz no cubría 300 mil kilómetros de proa a popa del barco.
Pero los pasajeros en la cubierta de la nave espacial están seguros de algo más. Confían en que su haz cubrió toda la distancia de proa a popa de 300 mil kilómetros. Después de todo, pasó un segundo entero en eso. Ellos también lo vieron con absoluta precisión en su reloj. Y como no podía ser de otra manera: la velocidad de la luz no depende de la velocidad de la fuente ...
¿Cómo es eso? ¿Vemos una cosa desde una plataforma estacionaria y otra en la cubierta de una nave espacial? ¿Qué pasa?
Teoría de la relatividad de Einstein
Debe tenerse en cuenta de inmediato: teoría de la relatividad de Einstein a primera vista, contradice absolutamente nuestro concepto establecido de la estructura del mundo. Podemos decir que también contradice el sentido común, ya que estamos acostumbrados a presentarlo. Esto ha sucedido más de una vez en la historia de la ciencia.
Pero el descubrimiento de la esfericidad de la Tierra fue contrario al sentido común. ¿Cómo puede la gente vivir en el lado opuesto y no caer al abismo?
Para nosotros, la esfericidad de la Tierra es un hecho innegable, y desde el punto de vista del sentido común, cualquier otro supuesto carece de sentido y es descabellado. Pero aparta la mirada de tu tiempo, imagina la primera aparición de esta idea, y queda claro lo difícil que sería aceptarla.
Bueno, ¿fue más fácil admitir que la Tierra no está estacionaria, sino que vuela a lo largo de su trayectoria decenas de veces más rápido que una bala de cañón?
Todos estos fueron choques de sentido común. Por tanto, los físicos modernos nunca se refieren a él.
Ahora volvamos a la teoría especial de la relatividad. El mundo la reconoció por primera vez en 1905 por un artículo firmado por un nombre poco conocido: Albert Einstein. Y en ese momento solo tenía 26 años.
Einstein hizo una suposición muy simple y lógica a partir de esta paradoja: desde el punto de vista de un observador en la plataforma, pasaba menos tiempo en un carruaje en movimiento del que medía su reloj de pulsera. En el automóvil, el paso del tiempo se ha ralentizado en comparación con el tiempo en una plataforma estacionaria.
Lógicamente, de esta suposición surgieron cosas bastante sorprendentes. Resultó que una persona que viaja al trabajo en un tranvía, en comparación con un peatón que recorre el mismo camino, no solo ahorra tiempo a expensas de la velocidad, sino que también va más lento para él.
Sin embargo, no intentes preservar la eterna juventud de esta forma: aunque te conviertas en conductor de tranvía y pases un tercio de tu vida en un tranvía, en 30 años ganarás poco más de una millonésima de segundo. Para que la ganancia en el tiempo sea notable, uno debe moverse a una velocidad cercana a la de la luz.
Resulta que un aumento en la velocidad de los cuerpos se refleja en su masa. Cuanto más cercana es la velocidad de un cuerpo a la velocidad de la luz, mayor es su masa. A la velocidad de un cuerpo igual a la velocidad de la luz, su masa es igual al infinito, es decir, es mayor que la masa de la Tierra, el Sol, la Galaxia, todo nuestro Universo ... Esta es la masa que se puede concentrar en un simple adoquín, acelerándolo a velocidad
¡Sveta!
Esto también impone una limitación que no permite que ningún cuerpo material desarrolle una velocidad igual a la velocidad de la luz. De hecho, a medida que crece la masa, se hace cada vez más difícil dispersarla. Y una masa infinita no se puede mover con ninguna fuerza.
Sin embargo, la naturaleza hizo una excepción muy importante a esta ley para toda una clase de partículas. Por ejemplo, para fotones. Pueden moverse a la velocidad de la luz. Más precisamente, no pueden moverse a ninguna otra velocidad. Es impensable imaginar un fotón estacionario.
Cuando está parado, no tiene masa. Los neutrinos tampoco tienen masa en reposo, y también están condenados a un eterno vuelo desenfrenado por el espacio con la máxima velocidad posible en nuestro Universo, sin adelantar a la luz y mantenerse al día con ella.
¿No es cierto que cada una de las consecuencias de la teoría especial de la relatividad que hemos enumerado es sorprendente, paradójica? ¡Y cada uno, por supuesto, contradice el "sentido común"!
Pero esto es lo interesante: no en su forma concreta, sino como una posición filosófica amplia, todas estas sorprendentes consecuencias fueron predichas por los fundadores del materialismo dialéctico. ¿Qué dicen estas consecuencias? Sobre las conexiones que interconectan la energía y la masa, la masa y la velocidad, la velocidad y el tiempo, la velocidad y la longitud de un objeto en movimiento ...
El descubrimiento de Einstein de la interdependencia, como el cemento (con más detalle :), conectando el refuerzo o los cimientos, reunió cosas y fenómenos que parecían independientes entre sí y creó la base sobre la cual, por primera vez en la historia de la ciencia, fue posible construir un edificio delgado. Este edificio es una representación de cómo funciona nuestro universo.
Pero primero, al menos unas palabras sobre la teoría general de la relatividad, también creada por Albert Einstein.
Albert Einstein Este nombre, la teoría general de la relatividad, no se corresponde completamente con el contenido de la teoría, que se discutirá. Establece la interdependencia entre espacio y materia. Al parecer, sería más correcto llamarla teoría del espacio-tiempoo teoría de la gravedad.
Pero este nombre ha crecido tanto junto con la teoría de Einstein que parece indecente para muchos científicos incluso plantear la cuestión de reemplazarlo ahora.
La relatividad general ha establecido la relación entre materia y tiempo y el espacio que lo contiene. Resultó que el espacio y el tiempo no solo son imposibles de imaginar existiendo separados de la materia, sino que sus propiedades dependen de la materia que los llena.
Punto de partida del razonamiento
Por tanto, solo se puede indicar punto de partida del razonamiento y proporcionar algunas conclusiones importantes.
Al comienzo del viaje espacial, una catástrofe inesperada destruyó la biblioteca, el fondo de películas y otros depósitos de la mente, la memoria de las personas que volaban por el espacio. Y la naturaleza del planeta nativo se olvida en el cambio de siglo. Incluso se ha olvidado la ley de la gravitación universal, porque el cohete vuela en el espacio intergaláctico, donde apenas se siente.
Sin embargo, los motores del barco funcionan muy bien, el suministro de energía de las baterías es prácticamente ilimitado. La mayor parte del tiempo el barco se mueve por inercia y sus habitantes están acostumbrados a la ingravidez. Pero a veces encienden los motores y ralentizan o aceleran el movimiento del barco. Cuando las toberas de chorro arden en el vacío con una llama incolora y el barco se mueve a un ritmo acelerado, los habitantes sienten que sus cuerpos se vuelven pesados, se ven obligados a caminar alrededor del barco y no volar por los pasillos.
Y ahora el vuelo está a punto de completarse. La nave vuela hasta una de las estrellas y se posa en las órbitas del planeta más adecuado. Las naves espaciales salen al exterior, caminando por el suelo cubierto de vegetación fresca, experimentando constantemente la misma sensación de pesadez, familiar de la época en que la nave se movía a un ritmo acelerado.
Pero el planeta se mueve de manera uniforme. ¡No puede volar hacia ellos con una aceleración constante de 9,8 m / seg2! Y tienen el primer supuesto de que el campo gravitacional (fuerza de atracción) y la aceleración dan el mismo efecto, y quizás tienen una naturaleza común.
Ninguno de nuestros contemporáneos, los terrícolas, estaba en un vuelo tan largo, pero muchos sintieron el fenómeno del "peso" y el "alivio" de sus cuerpos. Ya un ascensor ordinario, cuando se mueve a un ritmo acelerado, crea esta sensación. Al descender sientes una pérdida repentina de peso, al subir, por el contrario, el suelo presiona tus piernas con más fuerza de la habitual.
Pero un sentimiento no prueba nada. Después de todo, las sensaciones tratan de convencernos de que el Sol se mueve en el cielo alrededor de la Tierra inmóvil, que todas las estrellas y planetas están a la misma distancia de nosotros, en el firmamento, etc.
Los científicos han probado las sensaciones. Incluso Newton reflexionó sobre la extraña identidad de los dos fenómenos. Trató de darles características numéricas. Habiendo medido el gravitacional y, se aseguró de que sus valores sean siempre estrictamente iguales entre sí.
Con cualquier material que hizo los péndulos de la planta piloto: de plata, plomo, vidrio, sal, madera, agua, oro, arena, trigo. El resultado fue el mismo.
Principio de equivalencia, de la que estamos hablando, se encuentra en la base de la teoría general de la relatividad, aunque la interpretación moderna de la teoría no necesita ya este principio. Omitiendo las conclusiones matemáticas que se derivan de este principio, vayamos directamente a algunas consecuencias de la teoría general de la relatividad.
La presencia de grandes masas de materia afecta fuertemente al espacio circundante. Conduce a tales cambios en él, que pueden definirse como la falta de homogeneidad del espacio. Estas inhomogeneidades dirigen el movimiento de cualquier masa que esté cerca del cuerpo atrayente.
Esta analogía se suele utilizar. Imagínese un lienzo estirado tenso sobre un marco paralelo al suelo. Coloque un peso pesado sobre él. Esta será nuestra gran masa atractiva. Por supuesto, doblará el lienzo y terminará en alguna depresión. Ahora haga rodar la bola sobre este lienzo de modo que parte de su trayectoria quede al lado de la masa atrayente. Hay tres opciones dependiendo de cómo se lance la pelota.
- La pelota volará lo suficientemente lejos de la depresión creada por la desviación de la lona y no cambiará su movimiento.
- La pelota tocará la depresión y las líneas de su movimiento se doblarán hacia la masa atrayente.
- La bola caerá en este agujero, no podrá salir y dará una o dos vueltas alrededor de la masa gravitante.
¿No es cierto que la tercera opción simula muy bien la captura por una estrella o planeta de un cuerpo extraño que vuela inadvertidamente hacia su campo de atracción?
¡Y el segundo caso es la curvatura de la trayectoria de un cuerpo volando a una velocidad mayor que la posible velocidad de captura! El primer caso es análogo al vuelo fuera del alcance práctico del campo gravitacional. Sí, es práctico, porque teóricamente el campo gravitacional es ilimitado.
Por supuesto, esta es una analogía muy distante, principalmente porque nadie puede realmente imaginar la desviación de nuestro espacio tridimensional. ¿Cuál es el significado físico de esta desviación o curvatura, como suele decirse, nadie lo sabe?
De la teoría general de la relatividad se deduce que cualquier cuerpo material puede moverse en un campo gravitacional solo a lo largo de líneas curvas. Solo en casos particulares, especiales, la curva se convierte en una línea recta.
Un rayo de luz también obedece a esta regla. Después de todo, está formado por fotones que tienen cierta masa en vuelo. Y el campo gravitacional actúa sobre él, así como sobre una molécula, asteroide o planeta.
Otra conclusión importante es que el campo gravitacional también cambia el curso del tiempo. Cerca de una gran masa atrayente, en un fuerte campo gravitacional creado por ella, el transcurso del tiempo debería ser más lento que lejos de ella.
Verá, ¡y la teoría general de la relatividad está plagada de conclusiones paradójicas que pueden transformar nuestras ideas de "sentido común" una y otra vez!
Colapso gravitacional
Hablemos de un fenómeno cósmico asombroso: el colapso gravitacional (compresión catastrófica). Este fenómeno ocurre en gigantescos cúmulos de materia, donde las fuerzas de la gravedad alcanzan magnitudes tan enormes que ninguna otra fuerza existente en la naturaleza puede resistirlas.
Recuerde la famosa fórmula de Newton: cuanto menor sea el cuadrado de la distancia entre los cuerpos gravitantes, mayores serán las fuerzas gravitacionales. Por lo tanto, cuanto más densa se vuelve la formación del material, cuanto menor es su tamaño, más rápidamente aumentan las fuerzas de la gravedad y más inevitable es su abrazo destructivo.
Existe un ingenioso truco con el que la naturaleza combate la aparentemente ilimitada contracción de la materia. Para ello, detiene el curso mismo del tiempo en la esfera de acción de las fuerzas gravitacionales supergigantes, y las masas encadenadas de materia parecen desviarse de nuestro Universo, congelarse en un extraño sueño letárgico.
Probablemente ya se haya descubierto el primero de estos "agujeros negros" en el espacio. Según la suposición de los científicos soviéticos O. Kh. Guseinov y A. Sh. Novruzova, es el delta de Géminis, una estrella doble con un componente invisible.
El componente visible tiene una masa de 1,8 solares, y su "compañero" invisible debería ser, según los cálculos, cuatro veces más masivo que el visible. Pero no hay rastros de ello: es imposible ver la creación más asombrosa de la naturaleza, un "agujero negro".
El científico soviético profesor KP Stanyukovich, como dicen, "en la punta de la pluma", mediante construcciones puramente teóricas, demostró que las partículas de "materia congelada" pueden ser de muy diversos tamaños.
- Sus formaciones gigantes, similares a los cuásares, son posibles, emitiendo continuamente tanta energía como emiten las 100 mil millones de estrellas de nuestra Galaxia.
- Son posibles agrupaciones mucho más modestas, equivalentes a unas pocas masas solares. Tanto esos como otros objetos pueden surgir por sí mismos de materia ordinaria, no "durmiente".
- Y son posibles formaciones de una clase completamente diferente, proporcional en masa a las partículas elementales.
Para que surjan, es necesario primero someter la materia constituyente a una presión gigantesca y conducirla hacia la esfera de Schwarzschild, una esfera donde el tiempo para un observador externo se detiene por completo. Y si después de eso incluso se quita la presión, las partículas para las que se ha detenido el tiempo seguirán existiendo independientemente de nuestro Universo.
Plankeons
Los plankeons son una clase de partículas muy especial. Tienen, en opinión de K.P. Stanyukovich, una propiedad extremadamente interesante: llevan materia en sí mismos en una forma inalterada, como lo era hace millones y miles de millones de años. Al mirar dentro del plankeon, pudimos ver la materia tal como era en el momento del nacimiento de nuestro universo. Según cálculos teóricos, hay alrededor de 10 80 plankeons en el universo, alrededor de un plankeon en un cubo de espacio con un lado de 10 centímetros. Por cierto, simultáneamente con Stanyukovich y (independientemente de él, la hipótesis de los plankeons fue presentada por el académico M. A. Markov. Solo Markov les dio un nombre diferente: maximons.
Se puede intentar explicar las transformaciones a veces paradójicas de las partículas elementales mediante las propiedades especiales de los plankeons. Se sabe que cuando dos partículas chocan, los fragmentos nunca se forman, pero aparecen otras partículas elementales. Esto es realmente asombroso: en el mundo ordinario, al romper un jarrón, nunca obtenemos tazas enteras ni siquiera rosetas. Pero supongamos que en las profundidades de cada partícula elemental se esconde un plankeon, uno o varios, ya veces muchos plankeons.
En el momento de la colisión de partículas, la "bolsa" fuertemente atada del Plankeon se abre levemente, algunas partículas "caerán" en ella y, en cambio, las que consideramos surgidas durante la colisión "saltan". Al mismo tiempo, el Plankeon, como un contable prudente, proporcionará todas las "leyes de conservación" adoptadas en el mundo de las partículas elementales.
Bueno, ¿qué tiene que ver el mecanismo de la gravitación universal con esto?
Según la hipótesis de KP Stanyukovich, los "responsables" de la gravitación son partículas diminutas, los llamados gravitones, emitidos continuamente por partículas elementales. Los gravitones son mucho más pequeños que estos últimos, como una mota de polvo que baila en un rayo de sol es más pequeña que el globo.
La emisión de gravitones obedece a una serie de leyes. En particular, son más fáciles de volar a esa área del espacio. Que contiene menos gravitones. Esto significa que si hay dos cuerpos celestes en el espacio, ambos irradiarán gravitones principalmente "hacia afuera", en direcciones opuestas entre sí. Así, se crea un impulso que hace que los cuerpos se acerquen, se atraigan entre sí.
Fuerzas gravitacionales. La ley de la gravitación universal. La fuerza de la gravedad.
La interacción inherente a todos los cuerpos del Universo y que se manifiesta en su atracción mutua se llama gravitacional, y el fenómeno mismo de la gravitación universal gravedad .
Interacción gravitacional llevado a cabo a través de un tipo especial de materia llamada campo gravitacional.
Fuerzas gravitacionales (fuerzas gravitacionales) debido a la atracción mutua de los cuerpos y se dirigen a lo largo de la línea que conecta los puntos de interacción.
La expresión de la fuerza de gravedad en 1666 se le dio a Newton cuando solo tenía 24 años.
La ley de la gravitación universal: dos cuerpos se atraen entre sí con fuerzas directamente proporcionales al producto de las masas de los cuerpos e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellos:
La ley es válida siempre que las dimensiones de los cuerpos sean insignificantes en comparación con las distancias entre ellos. Además, la fórmula se puede utilizar para calcular las fuerzas de gravitación universal, para cuerpos esféricos, para dos cuerpos, uno de los cuales es una bola y el otro un punto material.
El coeficiente de proporcionalidad G \u003d 6.68 10-11 se llama constante gravitacional.
Sentido fisico la constante gravitacional consiste en que es numéricamente igual a la fuerza con la que se atraen dos cuerpos de 1 kg cada uno, situados a una distancia de 1 m el uno del otro.
La fuerza de la gravedad
La fuerza con la que la Tierra atrae a los que están cerca del cuerpo se llama por gravedad , y el campo gravitacional de la Tierra - campo de gravedad .
La fuerza de gravedad se dirige hacia abajo, hacia el centro de la Tierra. En el cuerpo, pasa por un punto llamado centro de gravedad... En este centro se encuentra el centro de gravedad de un cuerpo homogéneo con centro de simetría (bola, plato rectangular o circular, cilindro, etc.). Además, puede que no coincida con ninguno de los puntos del cuerpo dado (por ejemplo, en el anillo).
En el caso general, cuando se requiere encontrar el centro de gravedad de cualquier cuerpo de forma irregular, se debe proceder del siguiente patrón: si el cuerpo está suspendido de un hilo unido secuencialmente a diferentes puntos del cuerpo, entonces las direcciones marcadas con un hilo se cruzarán en un punto, que es precisamente el centro. el peso de este cuerpo.
El módulo de gravedad se encuentra usando la ley de la gravitación universal y está determinado por la fórmula:
F т \u003d mg, (2.7)
donde g es la aceleración de la gravedad del cuerpo (g \u003d 9.8 m / s 2 ≈10 m / s 2).
Dado que la dirección de la aceleración gravitacional g coincide con la dirección de la gravedad F t, la última igualdad puede reescribirse en la forma
De (2.7) se deduce que, es decir, la relación entre la fuerza que actúa sobre un cuerpo de masa m en cualquier punto del campo y la masa del cuerpo determina la aceleración de la gravedad en un punto dado del campo.
Para puntos ubicados a una altura h de la superficie de la Tierra, la aceleración de caída libre de un cuerpo es:
(2.8)
donde R З es el radio de la Tierra; M Z es la masa de la Tierra; h es la distancia desde el centro de gravedad del cuerpo hasta la superficie de la Tierra.
De esta fórmula se deduce que,
ante todo, la aceleración de la gravedad no depende de la masa y el tamaño del cuerpo y,
en segundo lugar, al aumentar la altitud sobre la Tierra, la aceleración de la gravedad disminuye. Por ejemplo, a una altitud de 297 km resulta no ser 9,8 m / s 2, sino 9 m / s 2.
Una disminución en la aceleración de la gravedad significa que la fuerza de la gravedad también disminuye con un aumento en la altura sobre la Tierra. Cuanto más lejos está el cuerpo de la Tierra, más débil lo atrae.
De la fórmula (1.73) se ve que g depende del radio de la Tierra R s.
Pero debido al aplanamiento de la Tierra, tiene diferentes significados en diferentes lugares: disminuye a medida que se mueve desde el ecuador hacia el polo. En el ecuador, por ejemplo, es igual a 9,780 m / s 2, y en el polo - 9,832 m / s 2. Además, los valores locales de g pueden diferir de sus valores promedio de g av debido a la estructura heterogénea de la corteza terrestre y el subsuelo, las cadenas montañosas y depresiones, así como los depósitos minerales. La diferencia entre los valores de gy g cf se llama
