Bir elma düştüğünde evrensel yerçekimi yasası keşfedildi. Evrensel çekim yasası nedir: büyük keşfin formülü

Herhangi bir maddi nokta arasında, kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olan ve bu noktaları birleştiren çizgi boyunca hareket eden karşılıklı bir çekim kuvveti vardır.

Isaac Newton, doğadaki herhangi bir cisim arasında karşılıklı çekim kuvvetleri olduğunu öne sürdü. Bu kuvvetler denir yerçekimi kuvvetleri veya yerçekimi kuvvetleri. Önlenemez yerçekimi kuvveti, uzayda, güneş sisteminde ve Dünya'da kendini gösterir.

Yerçekimi kanunu

Newton, gök cisimlerinin hareket yasalarını genelleştirdi ve \ (F \) kuvvetinin şuna eşit olduğunu buldu:

\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]

\(m_1 \) ve \(m_2 \) etkileşen cisimlerin kütleleridir, \(R \) aralarındaki mesafedir, \(G \) orantılılık katsayısıdır, buna denir yerçekimi sabiti. Sayısal değer Yerçekimi sabiti, kurşun bilyeler arasındaki etkileşim kuvveti ölçülerek Cavendish tarafından deneysel olarak belirlendi.

Yerçekimi sabitinin fiziksel anlamı, evrensel yerçekimi yasasından kaynaklanmaktadır. Eğer bir \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , sonra \(G = F \) , yani yerçekimi sabiti, 1 kg'lık iki cismin 1 m mesafede çekildiği kuvvete eşittir.

Sayısal değer:

\(G = 6.67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .

Evrensel yerçekimi kuvvetleri doğadaki herhangi bir cisim arasında hareket eder, ancak büyük kütlelerde (veya en azından cisimlerden birinin kütlesi büyükse) somut hale gelirler. Evrensel yerçekimi yasası yalnızca maddi noktalar ve toplar için yerine getirilir (bu durumda, topların merkezleri arasındaki mesafe, mesafe olarak alınır).

Yerçekimi

Özel bir evrensel yerçekimi kuvveti türü, cisimlerin Dünya'ya (veya başka bir gezegene) çekim kuvvetidir. Bu kuvvet denir Yerçekimi. Bu kuvvetin etkisi altında tüm cisimler serbest düşme ivmesi kazanır.

Newton'un ikinci yasasına göre \(g = F_T /m\) , bu nedenle \(F_T = mg \) .

M Dünyanın kütlesi ise, R yarıçapı, m verilen cismin kütlesi ise, yerçekimi kuvveti eşittir

\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .

Yerçekimi kuvveti her zaman Dünya'nın merkezine doğru yönlendirilir. Dünya yüzeyinin üzerindeki yüksekliğe \ (h \) ve vücudun konumunun coğrafi enlemine bağlı olarak, serbest düşüş ivmesi kazanır. çeşitli anlamlar. Dünya yüzeyinde ve orta enlemlerde serbest düşüş ivmesi 9.831 m/s 2'dir.

Vücut ağırlığı

Teknolojide ve günlük yaşamda vücut ağırlığı kavramı yaygın olarak kullanılmaktadır.

Vücut ağırlığı\(P \) ile gösterilir. Ağırlık birimi Newton'dur (N). Ağırlık, cismin desteğe uyguladığı kuvvete eşit olduğundan, Newton'un üçüncü yasasına göre, cismin ağırlığı, desteğin tepki kuvvetine eşit büyüklüktedir. Bu nedenle, vücudun ağırlığını bulmak için desteğin tepki kuvvetinin neye eşit olduğunu belirlemek gerekir.

Destek veya süspansiyona göre cismin hareketsiz olduğu varsayılır.

Vücut ağırlığı ve yerçekimi doğada farklılık gösterir: vücut ağırlığı, moleküller arası kuvvetlerin etkisinin bir tezahürüdür ve yerçekimi, yerçekimi doğasına sahiptir.

Bir cismin ağırlığının sıfır olduğu duruma denir. ağırlıksızlık. Hareket hızının yönü ve değeri ne olursa olsun, serbest düşüşün hızlanmasıyla hareket ederken bir uçakta veya uzay aracında ağırlıksızlık durumu gözlenir. Dünya atmosferinin dışında, jet motorları kapatıldığında, uzay aracına yalnızca evrensel yerçekimi kuvveti etki eder. Bu kuvvetin etkisi altında uzay gemisi ve içindeki tüm cisimler aynı ivme ile hareket eder, dolayısıyla gemide ağırlıksızlık durumu gözlenir.

Tarayıcınızda Javascript devre dışı.
Hesaplamaların yapılabilmesi için ActiveX kontrollerinin etkinleştirilmesi gerekir!

Evrensel yerçekimi yasasının, efsaneye göre akşam bahçesinde yürüyen ve fizik problemlerini düşünen büyük İngiliz bilim adamı Isaac Newton tarafından keşfedildiği bir sır değil. O anda, bir elma ağaçtan düştü (bir versiyona göre, fizikçinin tam kafasına, diğerine göre, sadece düştü), daha sonra bilim adamını eureka'ya yönlendirdiği için Newton'un ünlü elması oldu. Newton'un kafasına düşen ve ona evrensel çekim yasasını keşfetmesi için ilham veren elma, çünkü Ay gece gökyüzünde hareketsiz kaldı, elma düştü, bilim adamı bir tür kuvvetin Ay gibi hareket ettiğini düşünmüş olabilir (onu hareket ettiren) yörünge), böylece elmanın yere düşmesine neden olur.

Şimdi, bazı bilim tarihçilerinin güvencelerine göre, elma ile ilgili tüm bu hikaye sadece güzel bir kurgu. Aslında, elmanın düşüp düşmemesi o kadar önemli değil, bilim adamının gerçekten de şimdi hem fiziğin hem de astronominin temel taşlarından biri olan evrensel çekim yasasını keşfetmesi ve formüle etmesi önemlidir.

Elbette, Newton'dan çok önce, insanlar hem yere düşen şeyleri hem de gökyüzündeki yıldızları gözlemlediler, ancak ondan önce iki tür yerçekimi olduğuna inanıyorlardı: dünyevi (yalnızca Dünya içinde hareket eden, cisimlerin düşmesine neden olan) ve göksel ( yıldızlar ve ay üzerinde hareket). Newton, bu iki yerçekimi türünü kafasında birleştiren ilk kişiydi, yalnızca bir yerçekimi olduğunu ve onun eyleminin evrensel bir fizik yasasıyla tanımlanabileceğini ilk anlayan kişiydi.

Evrensel yerçekimi yasasının tanımı

Bu yasaya göre, tüm maddi cisimler birbirini çekerken, çekim kuvveti fiziksel veya kimyasal özellikler tel. Her şeyin mümkün olduğunca basitleştirilmesine bağlı olarak, yalnızca cisimlerin ağırlığına ve aralarındaki mesafeye bağlıdır. Ayrıca, Dünya'daki tüm cisimlerin, yerçekimi adı verilen gezegenimizin çekim kuvvetinden etkilendiği gerçeğini de hesaba katmanız gerekir (Latince'den "gravitas" kelimesi yerçekimi olarak çevrilir).

Şimdi evrensel yerçekimi yasasını mümkün olduğunca kısaca formüle etmeye ve yazmaya çalışalım: kütleleri m1 ve m2 olan ve aralarında R mesafesi bulunan iki cisim arasındaki çekim kuvveti, her iki kütleyle doğru orantılı ve karesiyle ters orantılıdır. aralarındaki mesafe.

Evrensel yerçekimi yasasının formülü

Aşağıda, evrensel yerçekimi yasasının formülünü dikkatinize sunuyoruz.

Bu formüldeki G yerçekimi sabitidir, 6.67408(31) 10 −11'e eşittir, bu gezegenimizin yerçekimi kuvvetinin herhangi bir maddi nesne üzerindeki etkisinin değeridir.

Evrensel yerçekimi yasası ve cisimlerin ağırlıksızlığı

Newton tarafından keşfedilen evrensel yerçekimi yasası ve beraberindeki matematiksel aparat, daha sonra gök mekaniği ve astronominin temelini oluşturdu, çünkü gök cisimlerinin hareketinin doğasını ve ağırlıksızlık fenomenini açıklamak için kullanılabilir. . Bir gezegen gibi büyük bir cismin çekim-yerçekimi kuvvetinden önemli bir mesafede dış uzayda olmak, herhangi bir maddi nesne (örneğin, gemide astronotlar bulunan bir uzay gemisi) ağırlıksız bir durumda olacaktır, çünkü kuvvet Dünyanın yerçekimi etkisi (yerçekimi yasasının formülündeki G) veya başka bir gezegen artık onu etkilemeyecektir.

Yerçekimi kanunu, video

Ve sonuç olarak, evrensel yerçekimi yasasının keşfi hakkında öğretici bir video.

Hayatının gerileyen yıllarında, nasıl keşfettiğini anlattı. yerçekimi kanunu.

Ne zaman genç Isaac bahçede elma ağaçlarının arasında yürüdü ailesinin malikanesinde, gündüz gökyüzünde ayı gördü. Ve yanında, bir elma yere düştü ve bir dalı kırdı.

Newton aynı zamanda hareket yasaları üzerinde çalıştığı için, elmanın Dünya'nın yerçekimi alanının etkisi altına düştüğünü zaten biliyordu. Ve Ay'ın sadece gökyüzünde olmadığını, Dünya'nın etrafında bir yörüngede döndüğünü ve bu nedenle, bir tür kuvvetin ona etki ettiğini, bu da onu yörüngeden çıkıp düz bir çizgide uçup gitmesini engellediğini biliyordu. içine uzay. Belki de aynı kuvvetin elmayı dünyaya düşürdüğü ve ayın Dünya yörüngesinde kaldığı fikri ona burada geldi.

Newton'dan önce, bilim adamları iki tür yerçekimi olduğuna inanıyorlardı: karasal yerçekimi (Dünya üzerinde hareket eden) ve göksel yerçekimi (cennette hareket eden). Bu fikir, o zamanın insanlarının zihnine sağlam bir şekilde yerleşmişti.

Newton'un tezahürü, bu iki tür yerçekimini zihninde birleştirmesiydi. O tarihi andan itibaren, Dünya'nın ve Evrenin geri kalanının yapay ve yanlış bölünmesi ortadan kalktı.

Ve böylece doğanın evrensel yasalarından biri olan evrensel çekim yasası keşfedildi. Yasaya göre, tüm maddi cisimler birbirini çeker ve yerçekimi kuvvetinin büyüklüğü cisimlerin kimyasal ve fiziksel özelliklerine, hareketlerinin durumuna, cisimlerin bulunduğu ortamın özelliklerine bağlı değildir. . Dünyadaki yerçekimi, her şeyden önce, herhangi bir maddi cismin Dünya tarafından çekilmesinin bir sonucu olan yerçekiminin varlığında kendini gösterir. Bununla ilgili terim "yerçekimi" (lat. gravitas - yerçekiminden) , "yerçekimi" terimine eşdeğerdir.

Yerçekimi yasası, R mesafesi ile ayrılan m1 ve m2 kütleli iki madde noktası arasındaki çekim kuvvetinin, her iki kütleyle orantılı ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olduğunu belirtir.

Evrensel bir yerçekimi kuvveti fikri, Newton'dan önce bile defalarca ifade edildi. Daha önce Huygens, Roberval, Descartes, Borelli, Kepler, Gassendi, Epicurus ve diğerleri bunu düşündüler.

Kepler'in varsayımına göre, yerçekimi Güneş'e olan uzaklık ile ters orantılıdır ve sadece ekliptik düzleminde uzanır; Descartes bunu eterdeki girdapların sonucu olarak düşündü.

Bununla birlikte, mesafeye doğru bağımlılıkla ilgili tahminler vardı, ancak Newton'dan önce hiç kimse yerçekimi yasasını (mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvet) ve gezegensel hareket yasalarını (Kepler'in yasaları) açık ve matematiksel olarak kesin olarak bağlayamadı. yasalar).

Ana işinde "Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri" (1687) Isaac Newton, o zamanlar bilinen Kepler'in ampirik yasalarına dayanarak yerçekimi yasasını türetti.
Bunu gösterdi:

- gezegenlerin gözlemlenen hareketleri, merkezi bir kuvvetin varlığına tanıklık eder;
- tersine, merkezi çekim kuvveti eliptik (veya hiperbolik) yörüngelere yol açar.

Seleflerinin hipotezlerinden farklı olarak, Newton'un teorisinin bir takım önemli farklılıkları vardı. Sir Isaac, yalnızca evrensel yerçekimi yasası için önerilen formülü yayınlamakla kalmadı, aynı zamanda tam bir matematiksel model önerdi:

- yerçekimi yasası;
- hareket yasası (Newton'un ikinci yasası);
- matematiksel araştırma için yöntemler sistemi (matematiksel analiz).

Birlikte ele alındığında, bu üçlü gök cisimlerinin en karmaşık hareketlerini tam olarak araştırmak ve böylece gök mekaniğinin temellerini oluşturmak için yeterlidir.

Ancak Isaac Newton, yerçekiminin doğası sorusunu açık bıraktı. Yerçekiminin doğasıyla yakından ilgili olan yerçekiminin uzayda anlık yayılımı varsayımı (yani, cisimlerin konumlarındaki bir değişiklikle, aralarındaki yerçekimi kuvvetinin anında değiştiği varsayımı) da açıklanmadı. Newton'dan sonra iki yüz yıldan fazla bir süredir fizikçiler Newton'un yerçekimi teorisini geliştirmek için çeşitli yollar önerdiler. 1915 yılına kadar bu çabalar, yaratılış tarafından başarı ile taçlandırılmadı. Einstein'ın genel görelilik kuramı tüm bu zorlukların üstesinden gelindiği yer.

Bu nedenle, gezegenlerin, örneğin Ay'ın Dünya etrafındaki veya Dünya'nın Güneş etrafındaki hareketi aynı düşüştür, ancak yalnızca sonsuz uzun bir zaman süren bir düşüş (en azından enerjinin "yoksunluğa" geçişini görmezden gelirsek. -mekanik" formlar).

Gezegenlerin hareketini ve dünyadaki cisimlerin düşüşünü yöneten nedenlerin birliği hakkındaki varsayım, Newton'dan çok önce bilim adamları tarafından ifade edildi. Görünüşe göre, neredeyse iki bin yıl önce Atina'da yaşayan Küçük Asya'nın yerlisi olan Yunan filozofu Anaxagoras, bu fikri açıkça ifade eden ilk kişiydi. Ay'ın hareket etmemesi durumunda Dünya'ya düşeceğini söyledi.

Bununla birlikte, Anaxagoras'ın parlak varsayımının, görünüşe göre, bilimin gelişimi üzerinde pratik bir etkisi yoktu. Çağdaşları tarafından yanlış anlaşılmaya ve torunları tarafından unutulmaya mahkum edildi. Dikkatleri gezegenlerin hareketi tarafından çekilen antik ve ortaçağ düşünürleri, bu hareketin nedenlerinin doğru (ve daha sıklıkla herhangi bir) yorumundan çok uzaktı. Ne de olsa, devasa emek pahasına gezegen hareketinin kesin matematiksel yasalarını formüle etmeyi başaran büyük Kepler bile, bu hareketin nedeninin Güneş'in dönüşü olduğuna inanıyordu.

Kepler'in fikirlerine göre, Güneş dönerek, gezegenleri sürekli itmelerle dönmeye sürüklüyor. Doğru, gezegenlerin Güneş etrafındaki dönüş süresinin neden Güneş'in kendi ekseni etrafındaki dönüş döneminden farklı olduğu belirsizliğini koruyordu. Kepler bunun hakkında şunları yazdı: “Gezegenlerin doğal dirençleri olmasaydı, Güneş'in dönüşünü tam olarak takip etmemelerinin nedenlerini belirtmek mümkün olmazdı. Ancak gerçekte tüm gezegenler Güneş'in dönüşüyle aynı yönde hareket etseler de hareket hızları aynı değildir. Gerçek şu ki, kendi kütlelerinin hareketsizliği ile hareket hızlarını belirli oranlarda karıştırıyorlar.

Kepler, gezegenlerin Güneş etrafındaki hareket yönleriyle Güneş'in kendi ekseni etrafındaki dönüş yönünün çakışmasının gezegensel hareket yasalarıyla değil, güneş sistemimizin kökeniyle bağlantılı olduğunu anlayamadı. Yapay bir gezegen hem Güneş'in dönüş yönünde hem de bu dönüşe karşı fırlatılabilir.

Robert Hooke, cisimlerin çekim yasasının keşfine Kepler'den çok daha yakındı. İşte 1674'te yayınlanan An Attempt to Study to Study of the Earth of the Earth adlı yapıtından orijinal sözleri: “Mekaniğin genel kabul görmüş kurallarına her açıdan uygun bir teori geliştireceğim. Bu teori üç varsayıma dayanmaktadır: birincisi, istisnasız tüm gök cisimlerinin, sadece kendi parçalarını değil, aynı zamanda hareket alanlarında bulunan tüm gök cisimlerini de çektikleri için merkezlerine yönelik bir yön veya yerçekimi vardır. . İkinci varsayıma göre, düz ve düzgün bir şekilde hareket eden tüm cisimler, bir kuvvet tarafından saptırılıncaya kadar düz bir çizgide hareket edecek ve yörüngeleri bir daire, elips veya daha az basit bir eğri üzerinde tanımlamaya başlayacaklardır. Üçüncü varsayıma göre, çekim kuvvetleri ne kadar fazla hareket ederse, üzerinde hareket ettikleri cisimler onlara o kadar yakın olur. Henüz deneyimle ne olduğunu tespit edemedim. çeşitli dereceler cazibe. Ancak bu fikir daha da geliştirilirse, gökbilimciler tüm gök cisimlerinin hareket ettiği yasayı belirleyebileceklerdir.

Gerçekten de, Hooke'un kendisinin, başka işlerle meşgul olmaktan bahsederek, bu fikirleri geliştirmek istememesine şaşırabilirsiniz. Ancak bu alanda çığır açan bir bilim adamı ortaya çıktı.

Newton'un evrensel yerçekimi yasasını keşfinin tarihi iyi bilinmektedir. İlk kez, bir taşı düşüren ve gök cisimlerinin hareketini belirleyen kuvvetlerin doğasının bir ve aynı olduğu fikri, öğrenci Newton'da bile ortaya çıktı, çünkü veriler, O zamanlar Dünya'dan Ay'a olan mesafe hakkında mevcut olan bilgiler yanlıştı, 16 yıl sonra bu mesafe hakkında yeni, düzeltilmiş bilgiler ortaya çıktı. Newton, gezegensel hareket yasalarını açıklamak için yarattığı dinamik yasalarını ve kurduğu evrensel yerçekimi yasasını uyguladı.

Dinamiğin ilk yasası olarak, Galilean eylemsizlik ilkesini, teorisinin temel yasaları-postulatları sistemine dahil etti.

Aynı zamanda Newton, bir dairedeki düzgün hareketin atalet tarafından hareket olduğuna inanan Galileo'nun hatasını ortadan kaldırmak zorunda kaldı. Newton (ve bu dinamiğin ikinci yasasıdır), bir cismin hareketini - hızın değerini veya yönünü - değiştirmenin tek yolunun, ona bir miktar kuvvet uygulamak olduğuna dikkat çekti. Bu durumda, bir kuvvetin etkisi altında bir cismin hareket ettiği ivme, cismin kütlesi ile ters orantılıdır.

Newton'un üçüncü dinamik yasasına göre, "Her etki için eşit ve zıt bir tepki vardır."

İlkeleri - dinamik yasalarını tutarlı bir şekilde uygulayarak, önce Ay'ın Dünya çevresinde yörüngede hareket ederken merkezcil ivmesini hesapladı ve sonra bu ivmenin Dünya'nın yakınındaki cisimlerin serbest düşüş ivmesine oranını göstermeyi başardı. yüzey, Dünya ve ay yörüngesinin yarıçaplarının karelerinin oranına eşittir. Bundan Newton, yerçekimi kuvvetinin doğasının ve ayı yörüngede tutan kuvvetin bir ve aynı olduğu sonucuna vardı. Başka bir deyişle, sonuçlarına göre, Dünya ve Ay, merkezleri arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle Fg ≈ 1∕r2 birbirini çekiyor.

Newton, cisimlerin serbest düşüş ivmesinin kütlelerinden bağımsız olmasının tek açıklamasının, yerçekimi kuvvetinin kütleye orantılılığı olduğunu gösterebildi.

Newton, bulguları özetleyerek şunları yazdı: “Diğer gezegenlerdeki yerçekiminin doğasının Dünya'dakiyle aynı olduğuna şüphe yok. Aslında, dünya cisimlerinin Ay'ın yörüngesine yükseltildiğini ve Ay ile birlikte, hiçbir hareketten yoksun olarak Dünya'ya düşmek üzere gönderildiğini düşünelim. Halihazırda kanıtlanmış olanlara (Galileo'nun deneyleri anlamına gelir) dayanarak, aynı zamanda Ay ile aynı uzayı geçeceklerine şüphe yoktur, çünkü kütleleri aynı yerdeki Ay'ın kütlesi ile ilişkilidir. ağırlıkları kendi ağırlığına göre olduğu gibi. Böylece Newton, haklı olarak bilimin malı olan evrensel yerçekimi yasasını keşfetti ve formüle etti.

2. Yerçekimi kuvvetlerinin özellikleri.

Evrensel yerçekimi kuvvetlerinin veya genellikle yerçekimi kuvvetleri olarak adlandırılan kuvvetlerin en dikkat çekici özelliklerinden biri, Newton tarafından verilen isimde zaten yansıtılmıştır: evrensel. Bu güçler, tabiri caizse, tüm doğa güçleri arasında "en evrensel" olanlardır. Kütlesi olan her şey - ve kütle, herhangi bir biçimde, herhangi bir maddede içkindir - yerçekimi etkilerine maruz kalmalıdır. Işık bile bir istisna değildir. Bir cisimden diğerine uzanan iplerin yardımıyla yerçekimi kuvvetlerini görselleştirirsek, o zaman bu tür sayısız ipin herhangi bir yerde uzaya nüfuz etmesi gerekir. Aynı zamanda, böyle bir ipliği kırmanın, yerçekimi kuvvetlerinden uzak durmanın imkansız olduğunu belirtmek yerinde olmaz. Evrensel yerçekimi için hiçbir engel yoktur, etki yarıçapları sınırlı değildir (r = ∞). Yerçekimi kuvvetleri uzun menzilli kuvvetlerdir. Bu, bu kuvvetlerin fizikteki "resmi adı"dır. Uzun menzilli eylem nedeniyle, yerçekimi Evrenin tüm bedenlerini bağlar.

Her adımda mesafe ile kuvvetlerdeki azalmanın göreceli yavaşlığı, dünya koşullarımızda kendini gösterir: sonuçta, tüm cisimler ağırlıklarını değiştirmez, bir yükseklikten diğerine aktarılır (veya daha kesin olarak değişirler, ancak son derece hafif), çünkü mesafedeki nispeten küçük bir değişiklikle - bu durumda Dünya'nın merkezinden - yerçekimi kuvvetleri pratikte değişmez.

Bu arada, yerçekimi kuvvetlerini mesafeyle ölçme yasasının "gökyüzünde" keşfedilmesinin nedeni budur. Gerekli tüm veriler astronomiden toplandı. Ancak yükseklikle birlikte yerçekimi kuvvetindeki azalmanın karasal koşullarda tespit edilemeyeceğini düşünmemek gerekir. Bu nedenle, örneğin, bir saniyelik salınım periyoduna sahip bir sarkaçlı saat, bodrum katından Moskova Üniversitesi'nin en üst katına (200 metre) kaldırılırsa, günde neredeyse üç saniye geride olacaktır - ve bu sadece bir azalmadan kaynaklanmaktadır. yerçekimi içinde.

Yapay uyduların hareket ettiği yükseklikler zaten Dünya'nın yarıçapı ile karşılaştırılabilir, bu nedenle yörüngelerini hesaplamak için yerçekimi kuvvetinin mesafeyle değişimini hesaba katmak kesinlikle gereklidir.

Yerçekimi kuvvetlerinin şimdi tartışılacak olan çok ilginç ve sıra dışı bir özelliği daha var.

Yüzyıllar boyunca, ortaçağ bilimi sarsılmaz bir dogma olarak Aristoteles'in vücudun daha hızlı düştüğünü, ağırlığının arttığını kabul etti. Günlük deneyim bile bunu doğrular: Sonuçta, bir tüy parçasının bir taştan daha yavaş düştüğü bilinmektedir. Bununla birlikte, Galileo'nun ilk kez gösterebildiği gibi, buradaki bütün mesele, devreye giren hava direncinin, tüm cisimlere sadece yerçekimi etki etmesi durumunda ortaya çıkacak olan resmi kökten çarpıtmasıdır. Hava direncinin rolünü değerlendirmeyi çok kolaylaştıran Newton'un tüpüyle ilgili olağanüstü net bir deney var. Burada Kısa Açıklama bu deneyim. İçine yerleştirilen sıradan bir cam (içinde ne yapıldığını görebilmeniz için) bir tüp hayal edin. çesitli malzemeler: topaklar, mantar parçaları, tüyler veya tüyler vb. Tüpü tüm bunların düşmesi için çevirirseniz, pelet en hızlı şekilde parlar, ardından mantar parçaları gelir ve sonunda tüyler düzgün bir şekilde düşer. Ama tüpten hava pompalandığında aynı nesnelerin düşüşünü takip etmeye çalışalım. Eski yavaşlığını kaybetmiş olan kabartmak, pelet ve mantara ayak uydurarak acele eder. Bu, mantarın hareketini daha az ve hatta pelet hareketini daha az etkileyen hava direnci tarafından hareketinin geciktirildiği anlamına gelir. Sonuç olarak, eğer hava direnci olmasaydı, cisimler üzerinde yalnızca evrensel yerçekimi kuvvetleri - özel bir durumda, dünyanın yerçekimi - etki etseydi, o zaman tüm cisimler aynı hızda düşerek tamamen aynı şekilde düşerdi.

Ama "güneşin altında yeni bir şey yok." İki bin yıl önce, Lucretius Carus ünlü şiiri "Şeylerin Doğası Üzerine"de şöyle yazmıştı:

Nadir havaya düşen her şey,

Daha hızlı düşmek kendi ağırlığına uygun olmalıdır.

Sadece su veya hava ince bir öz olduğu için

Aynı şeylere engel koyamayan,

Ancak daha şiddetli olanlara göre daha düşüktür.

Aksine, hiçbir zaman hiçbir yerde yetenekli değildir.

Boşluğu durduracak ve bir tür destek olacak bir şey,

Doğası gereği, sürekli olarak her şeye boyun eğer.

Bu nedenle, boşlukta engelsiz akan her şey,

Ağırlık farkına rağmen sahip olmak için eşit hız.

Elbette bu harika sözler harika bir tahmindi. Bu varsayımı köklü bir yasaya dönüştürmek için, Galileo'nun aynı büyüklükteki ancak toplardan yapılmış topların düşmesini inceleyen ünlü deneylerinden başlayarak birçok deney yapıldı. çeşitli malzemeler(mermer, ahşap, kurşun vb.) ve yerçekiminin ışık üzerindeki etkisinin en karmaşık modern ölçümleriyle son buluyor. Ve tüm bu deneysel veriler, yerçekimi kuvvetlerinin tüm cisimlere aynı ivmeyi verdiği inancında bizi ısrarla güçlendiriyor; özellikle, yerçekiminin neden olduğu serbest düşme ivmesi tüm cisimler için aynıdır ve cisimlerin bileşimine, yapısına veya kütlesine bağlı değildir.

Bu görünüşte basit yasa, yerçekimi kuvvetlerinin belki de en dikkat çekici özelliğini ifade ediyor. Kelimenin tam anlamıyla, kütlelerine bakılmaksızın tüm cisimleri eşit derecede hızlandıracak başka bir kuvvet yoktur.

Böylece, evrensel yerçekimi kuvvetlerinin bu özelliği, kısa bir ifadeye sıkıştırılabilir: yerçekimi kuvveti, cisimlerin kütlesi ile orantılıdır. Burada Newton yasalarında bir eylemsizlik ölçüsü olarak hareket eden aynı kütleden bahsettiğimizi vurguluyoruz. Hatta atalet kütlesi denir.

Dört kelime "yerçekimi kuvveti kütle ile orantılıdır" şaşırtıcı derecede derin anlamlar içerir. Büyük ve küçük bedenler, sıcak ve soğuk, en çeşitli kimyasal bileşim, herhangi bir yapının - kütleleri eşitse hepsi aynı yerçekimi etkileşimini yaşarlar.

Ya da belki bu yasa gerçekten basittir? Ne de olsa Galileo, örneğin, bunun neredeyse apaçık olduğunu düşündü. İşte onun mantığı. Farklı ağırlıktaki iki cismin düşmesine izin verin. Aristoteles'e göre, ağır bir cisim boşlukta bile daha hızlı düşmelidir. Şimdi gövdeleri birleştirelim. Ardından, bir yandan, toplam ağırlık arttıkça bedenler daha hızlı düşmelidir. Ancak diğer yandan ağır bir cisme daha yavaş düşen bir parçanın eklenmesi bu cismi yavaşlatmalıdır. Yalnızca yerçekimi etkisi altındaki tüm cisimlerin aynı ivmeyle düştüklerini varsayarsak ortadan kaldırılabilecek bir çelişki vardır. Her şey yolunda gibi görünüyor! Ancak, yukarıdaki tartışmayı tekrar düşünelim. Yaygın bir "çelişkiyle" ispat yöntemine dayanmaktadır: Daha ağır bir cismin daha hafif olandan daha hızlı düştüğünü varsayarsak, bir çelişkiye geldik. Ve en başından beri, serbest düşüşün ivmesinin ağırlıkla ve sadece ağırlıkla belirlendiği varsayımı vardı. (Kesinlikle konuşursak, ağırlık olarak değil, kütle olarak.)

Ancak bu hiçbir şekilde önceden (yani deneyden önce) açık değildir. Peki ya bu ivme cisimlerin hacmi tarafından belirleniyorsa? Veya sıcaklık? Elektrik yüküne benzer ve bu sonuncusu gibi doğrudan kütle ile hiçbir ilgisi olmayan bir yerçekimi yükü olduğunu hayal edin. Elektrik yükü ile karşılaştırma çok faydalıdır. İşte bir kapasitörün yüklü plakaları arasındaki iki toz parçacığı. Bu toz parçacıklarının eşit yüklere sahip olmasına izin verin ve kütleler 1'den 2'ye kadar ilişkili olsun. O zaman ivmeler iki faktör kadar farklı olmalıdır: yükler tarafından belirlenen kuvvetler eşittir ve eşit kuvvetlerle, kütlesi iki katı olan bir cisim hızlanır. iki katı kadar. Bununla birlikte, toz parçacıkları bağlanırsa, o zaman açıkçası, ivme yeni bir ara değere sahip olacaktır. Elektrik kuvvetlerinin deneysel bir incelemesi olmadan hiçbir spekülatif yaklaşım burada bir şey veremez. Yerçekimi yükü kütle ile ilgili değilse, resim tamamen aynıydı. Ve böyle bir bağlantı olup olmadığı sorusunu yanıtlamak için sadece deneyim olabilir. Ve şimdi anlıyoruz ki, özünde yerçekimi yükünün (yerçekimi veya ağır kütle) eylemsizlik kütlesine eşit olduğunu gösteren, tüm cisimler için yerçekimi nedeniyle aynı ivmeyi kanıtlayan deneyler olduğunu anlıyoruz.

Deneyim ve yalnızca deneyim, hem fiziksel yasalar için bir temel hem de onların geçerliliği için bir ölçüt olarak hizmet edebilir. Örneğin, Moskova Devlet Üniversitesi'nde V. B. Braginsky'nin rehberliğinde gerçekleştirilen rekor kıran deneyleri hatırlayalım. 10-12 mertebesinde bir doğruluğun elde edildiği bu deneyler, ağır ve eylemsiz kütlenin eşitliğini bir kez daha doğruladı.

Bir bilim insanının küçük bir laboratuvarının mütevazı ölçeğinden görkemli kozmik ölçeğe kadar - doğanın geniş bir testinde, deneyime dayanır, ki (yukarıda söylenenlerin hepsini özetlemek gerekirse) evrensel yerçekimi yasasına dayanır. okur:

Boyutları aralarındaki mesafeden çok daha az olan herhangi iki cismin karşılıklı çekim kuvveti, bu cisimlerin kütlelerinin çarpımı ile orantılı ve bu cisimler arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır.

Orantılılık katsayısına yerçekimi sabiti denir. Uzunluğu metre, zamanı saniye ve kütleyi kilogram cinsinden ölçersek, yerçekimi her zaman 6.673 * 10-11'e eşit olacak ve boyutu sırasıyla m3 / kg * s2 veya N * m2 / kg2 olacaktır.

G=6.673*10-11 N*m2/kg2

3. Yerçekimi dalgaları.

Newton'un evrensel yerçekimi yasası, yerçekimi etkileşiminin aktarım zamanı hakkında hiçbir şey söylemez. Etkileşen cisimler arasındaki mesafeler ne kadar büyük olursa olsun, dolaylı olarak anlık olduğu varsayılır. Böyle bir görüş, genellikle uzaktan eylem taraftarlarının tipik bir örneğidir. Ancak Einstein'ın "özel görelilik kuramından", yerçekiminin bir cisimden diğerine ışık sinyaliyle aynı hızda iletildiği sonucu çıkar. Bir cisim bulunduğu yerden hareket ederse, onun neden olduğu uzay ve zamanın eğriliği bir anda değişmez. İlk başta, bu vücudun yakın çevresinde bir etkiye sahip olacak, daha sonra değişim giderek daha uzak bölgeleri yakalayacak ve nihayet uzay boyunca vücudun değişen konumuna karşılık gelen yeni bir eğrilik dağılımı kurulacak. .

Ve burada, en fazla sayıda anlaşmazlığa ve anlaşmazlığa neden olan ve neden olmaya devam eden soruna geliyoruz - yerçekimi radyasyonu sorunu.

Onu yaratan bir kütle yoksa yerçekimi var olabilir mi? Newton yasasına göre kesinlikle hayır. Böyle bir soru sormanın anlamı yok. Bununla birlikte, yerçekimi sinyallerinin çok yüksek, ancak yine de sonsuz olmayan bir hızda iletildiğini kabul ettiğimizde, her şey kökten değişir. Gerçekten de, bir top gibi yerçekimi üreten kütlenin başlangıçta hareketsiz olduğunu hayal edin. Topun etrafındaki tüm cisimler olağan Newton kuvvetlerinden etkilenecektir. Ve şimdi büyük bir hızla topu orijinal yerinden çıkaracağız. İlk başta, çevredeki bedenler bunu hissetmeyecektir. Sonuçta, yerçekimi kuvvetleri anında değişmez. Uzayın eğriliğindeki değişikliklerin her yöne yayılması zaman alır. Bu, topun kendisi artık orada olmadığında (her durumda, aynı yerde) bir süre çevredeki cisimlerin topun aynı etkisini yaşayacakları anlamına gelir.

Uzayın eğriliğinin belirli bir bağımsızlık kazandığı, cismi eğriliğe neden olduğu uzay bölgesinden dışarı çekmenin mümkün olduğu ve bu eğriliklerin kendilerinin, en azından büyük mesafelerde olacakları şekilde ortaya çıktığı ortaya çıktı. kalır ve kendi iç yasalarına göre gelişecektir. İşte kütleçekimsiz yerçekimi! Daha ileri gidebilirsiniz. Topu sallarsanız, o zaman, Einstein'ın teorisinden de anlaşılacağı gibi, Newton'un yerçekimi resmi - yerçekimi dalgaları üzerine bir tür dalgalanma bindirilir. Bu dalgaları daha iyi hayal etmek için bir model - bir lastik film kullanmanız gerekir. Bu filme sadece parmağınızla basmakla kalmaz, aynı zamanda onunla salınım hareketleri yaparsanız, bu titreşimler gerilmiş film boyunca her yöne iletilmeye başlayacaktır. Bu, yerçekimi dalgalarının analoğudur. Kaynaktan ne kadar uzak olursa, bu tür dalgalar o kadar zayıf olur.

Ve şimdi bir noktada filme basmayı bırakacağız. Dalgalar kaybolmayacak. Onlar da kendi başlarına var olacaklar, film boyunca daha uzağa yayılacaklar ve yollarında geometri bozulmasına neden olacaklar.

Tam olarak aynı şekilde, uzay eğriliği dalgaları - yerçekimi dalgaları - bağımsız olarak var olabilir. Birçok araştırmacı bu sonucu Einstein'ın teorisinden çıkarır.

Tabii ki, tüm bu etkiler çok zayıf. Örneğin, bir kibritin yanması sırasında açığa çıkan enerji, tüm vücudumuz tarafından yayılan yerçekimi dalgalarının enerjisinden çok daha fazladır. Güneş Sistemi aynı zaman için. Ancak burada önemli olan niceliksel değil, meselenin ilkesel yönüdür.

Yerçekimi dalgalarının savunucuları - ve şu anda çoğunlukta görünüyorlar - bir başka şaşırtıcı fenomeni de tahmin ediyorlar; yerçekiminin elektronlar ve pozitronlar (çiftler halinde doğmaları gerekir), protonlar, antitronlar vb. (Ivanenko, Wheeler ve diğerleri) gibi parçacıklara dönüşümü.

Bunun gibi bir şeye benzemeli. Bir yerçekimi dalgası belirli bir uzay alanına ulaştı. AT belirli an bu yerçekimi aniden, aniden azalır ve aynı zamanda, diyelim ki, aynı yerde bir elektron-pozitron çifti belirir. Aynısı, bir çiftin eş zamanlı doğumuyla uzayın eğriliğinde ani bir düşüş olarak tanımlanabilir.

Bunu kuantum mekaniksel dile çevirmek için birçok girişim var. Parçacıklar - kuantum olmayan bir görüntüyle karşılaştırılan gravitonlar dikkate alınır yerçekimi dalgası. Fizik literatüründe, "gravitonların diğer parçacıklara dönüştürülmesi" terimi dolaşımdadır ve bu dönüşümler - karşılıklı dönüşümler - gravitonlar ve prensipte diğer parçacıklar arasında mümkündür. Sonuçta, yerçekimine duyarsız parçacıklar yoktur.

Bu tür dönüşümler pek olası olmasa da, yani çok ender olarak gerçekleşseler de, kozmik ölçekte temel oldukları ortaya çıkabilir.

4. Uzay-zamanın yerçekimi ile eğriliği,

"Eddington'ın Mesel".

İngiliz fizikçi Eddington'ın "Uzay, Zaman ve Yerçekimi" kitabından benzetmesi (yeniden anlatma):

"Yalnızca iki boyutu olan bir okyanusta, bir zamanlar bir yassı balık türü yaşadı. Balıkların yollarında bariz engellerle karşılaşana kadar genellikle düz bir çizgide yüzdükleri gözlemlenmiştir. Bu davranış oldukça doğal görünüyordu. Ama okyanusta gizemli bir bölge vardı; balıklar içine düştüğünde büyülenmiş gibiydiler; bazıları bu bölgeden geçtiler ama yön değiştirdiler, bazıları ise bölgeyi hiç durmadan dolaştı. Bir balık (neredeyse Descartes) girdaplar teorisini önerdi; bu bölgede içine düşen her şeyi döndüren girdaplar olduğunu söyledi. Zaman içinde çok daha mükemmel bir teori (Newton teorisi) önerildi; Bütün balıkların çok büyük bir balığa - bölgenin ortasında uyuklayan bir güneş balığına - çekildiği söylenir ve bu, yollarının sapmasını açıklar. İlk başta bu teori belki biraz garip görünüyordu; ancak çok çeşitli gözlemlerde şaşırtıcı bir doğrulukla doğrulanmıştır. Tüm balıkların boyutlarıyla orantılı olarak bu çekici özelliğe sahip olduğu tespit edildi; çekim yasası (evrensel yerçekimi yasasına benzer) son derece basitti, ancak buna rağmen, tüm hareketleri bilimsel araştırmanın doğruluğu ile daha önce hiç elde edilmemiş bir doğrulukla açıkladı. Doğru, bazı balıklar homurdanarak, uzaktan böyle bir eylemin nasıl mümkün olduğunu anlamadıklarını açıkladılar; ama herkes bu eylemin okyanus tarafından yayıldığı ve suyun doğası daha iyi anlaşıldığında anlamanın daha kolay olacağı konusunda hemfikirdi. Bu nedenle, yerçekimini açıklamak isteyen hemen hemen her balık, suyun içinde yayıldığı bir mekanizma olduğunu varsayarak başlamıştır.

Ama olaylara farklı bakan bir balık vardı. Büyük balığı yolundan çevirmek için çok fazla güç harcayacak gibi görünse de, büyük balıkların ve küçüklerin her zaman aynı yolları izlediğine dikkat çekti. (Güneş balığı tüm bedenlere eşit ivmeler kazandırdı.) Bu nedenle, kuvvetler yerine balıkların hareket yollarını ayrıntılı olarak incelemeye başladı ve böylece soruna inanılmaz bir çözüm buldu. Dünyada güneş balıklarının yattığı yüksek bir yer vardı. Balıklar iki boyutlu oldukları için bunu doğrudan göremediler; ancak hareket halindeki balık bu yüksekliğin yamacına düştüğünde, düz bir çizgide yüzmeye çalışmasına rağmen, istemsizce biraz yana döndü. Bu, gizemli bölgede meydana gelen yolların gizemli çekiciliğinin veya eğriliğinin sırrıydı. »

Bu mesel, içinde yaşadığımız dünyanın eğriliğinin, yerçekimi yanılsamasını nasıl verebileceğini gösterir ve yerçekimi gibi bir etkinin, böyle bir eğriliğin kendini gösterebilmesinin tek yolu olduğunu görürüz.

Kısaca, bu aşağıdaki gibi formüle edilebilir. Yerçekimi tüm cisimlerin yollarını aynı şekilde büktüğü için, yerçekimini uzay-zamanın bir eğriliği olarak düşünebiliriz.

5. Dünyadaki Yerçekimi.

Gezegenimizin yaşamında yerçekiminin oynadığı rolü düşünürseniz, tüm okyanuslar açılır. Ve sadece fenomen okyanusları değil, aynı zamanda kelimenin tam anlamıyla okyanuslar. Su okyanusları. hava okyanusu. Yerçekimi olmasaydı onlar var olamazlardı.

Denizdeki bir dalga, bu denizi besleyen nehirlerdeki her damla suyun hareketi, tüm akıntılar, tüm rüzgarlar, bulutlar, gezegenin tüm iklimi iki ana faktörün oyunuyla belirlenir: güneş aktivitesi ve yerçekimi .

Yerçekimi sadece insanları, hayvanları, suyu ve havayı Dünya üzerinde tutmakla kalmaz, aynı zamanda onları sıkıştırır. Dünya yüzeyindeki bu sıkıştırma çok büyük değil, ancak rolü önemlidir.

Gemi denizde ilerliyor. Boğulmasını engelleyen şey herkes tarafından bilinir. Bu Arşimet'in ünlü kaldırma kuvvetidir. Ancak, yalnızca suyun yerçekimi tarafından derinlikle artan bir kuvvetle sıkıştırılması nedeniyle ortaya çıkar. İçeri uzay gemisi uçuşta ağırlık olmadığı gibi kaldırma kuvveti de yoktur. Kürenin kendisi yerçekimi kuvvetleri tarafından devasa basınçlara sıkıştırılır. Dünyanın merkezinde, basınç 3 milyon atmosferden fazla görünüyor.

Bu koşullar altında uzun etkili basınç kuvvetlerinin etkisi altında katı olarak kabul etmeye alışık olduğumuz tüm maddeler zift veya reçine gibi davranır. Ağır maddeler dibe çöker (Dünya'nın merkezini bu şekilde adlandırabilirseniz), hafif olanlar yüzer. Bu süreç milyarlarca yıldır sağılmıştır. Schmidt'in teorisinden yola çıkarak şu anda bile bitmedi. Dünyanın merkezindeki ağır elementlerin konsantrasyonu yavaş yavaş artıyor.

Peki, Güneş'in ve Ay'ın en yakın gök cisminin çekimi Dünya'da nasıl kendini gösteriyor? Sadece okyanus kıyılarının sakinleri bu çekiciliği özel aletler olmadan gözlemleyebilir.

Güneş, Dünya'daki ve içindeki her şey üzerinde hemen hemen aynı şekilde hareket eder. Güneş'in bir insanı, Güneş'e en yakın olduğu öğle vaktinde çektiği kuvvet, ona gece yarısı etki eden kuvvetle hemen hemen aynıdır. Sonuçta, Dünya'dan Güneş'e olan mesafe, Dünya'nın çapından on bin kat daha fazladır ve Dünya kendi ekseni etrafında yarım tur döndüğünde mesafedeki on binde bir artış, pratik olarak kuvvetini değiştirmez. cazibe. Bu nedenle Güneş, dünyanın her yerine ve yüzeyindeki tüm cisimlere hemen hemen aynı ivmeleri verir. Neredeyse, ama yine de tam olarak aynı değil. Bu farklılıktan dolayı okyanusta gelgitler vardır.

Dünya yüzeyinin Güneş'e bakan kısmında, çekim kuvveti, bu kısmın eliptik bir yörüngede hareketi için gerekli olandan biraz daha fazladır ve Dünya'nın karşı tarafında biraz daha azdır. Sonuç olarak, Newton mekaniği yasalarına göre, okyanustaki su, Güneş'e bakan yönde hafifçe şişer ve karşı tarafta Dünya yüzeyinden uzaklaşır. Dedikleri gibi, gelgit kuvvetleri ortaya çıkar, dünyayı gerer ve kabaca söylemek gerekirse, okyanusların yüzeyine bir elipsoid şekli verir.

Etkileşen cisimler arasındaki mesafe ne kadar küçükse, gelgit oluşturan kuvvetler o kadar büyük olur. Bu nedenle dünya okyanuslarının şekli Güneş'ten çok Ay'dan etkilenir. Daha kesin olarak, gelgit hareketi, bir cismin kütlesinin, dünyadan uzaklığının küpüne oranıyla belirlenir; Ay için bu oran, Güneş için olanın yaklaşık iki katıdır.

Dünyanın parçaları arasında bir yapışma olmasaydı, gelgit kuvvetleri onu parçalara ayırırdı.

Belki de bu, Satürn'ün uydularından birine yaklaştığında başına geldi. büyük gezegen. Satürn'ü olağanüstü bir gezegen yapan bu parça parça halka, ayın enkazı olabilir.

Yani okyanusların yüzeyi, ana ekseni aya dönük bir elipsoid gibidir. Dünya kendi ekseni etrafında döner. Bu nedenle, bir gelgit dalgası okyanusun yüzeyi boyunca Dünya'nın dönüş yönüne doğru hareket eder. Kıyıya yaklaştığında gelgit başlar. Bazı yerlerde su seviyesi 18 metreye kadar çıkıyor. Sonra gelgit dalgası ayrılır ve gelgit çekilmeye başlar. Okyanustaki su seviyesi ortalama olarak 12 saatlik bir süre boyunca dalgalanır. 25dk (yarım ay günü).

Bu basit resim, Güneş'in eşzamanlı gelgit oluşturma hareketi, suyun sürtünmesi, kıtaların direnci, okyanus kıyılarının ve kıyı bölgelerindeki diplerin konfigürasyonunun karmaşıklığı ve diğer bazı kısmi etkiler tarafından büyük ölçüde çarpıtılmıştır.

Gelgit dalgasının Dünya'nın dönüşünü yavaşlatması önemlidir.

Ancak etkisi çok küçüktür. 100 yıl sonra gün saniyenin binde biri kadar artar. Ancak milyarlarca yıl boyunca hareket eden fren kuvvetleri, Dünya'nın her zaman bir tarafta Ay'a dönmesine ve Dünya'nın günlerinin eşitlenmesine yol açacaktır. kameri ay. Bu zaten Luna'ya oldu. Ay o kadar yavaşlar ki sürekli bir tarafı Dünya'ya dönüktür. Ayın uzak tarafına "bakmak" için etrafına bir uzay aracı göndermek gerekiyordu.

Sir Isaac Newton azalan yıllarında nasıl keşfettiğini anlattı yerçekimi kanunu.