Земля — прекрасный магнит. И на самом деле это магнит с настоящим магнитным полем. Но сейчас мы говорим о другом явлении — явлении притягивания тел к Земле, от тюленей, отскакивающих от деревьев, до астероидов на улице. Это явление называется гравитацией.
Классическая теория тяготения Ньютона
Класси́ческая тео́рия тяготе́ния Ньюто́на (Зако́н всео́бщего тяготе́ния Ньюто́на) — закон, описывающий гравитационное взаимодействие в рамках классической механики. Этот закон был открыт Ньютоном в 1666 году. Он гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы , разделёнными расстоянием
Где 67384 (80) cdot 10^ «ширина =» «высота =» » />м³ / (кгс²).
Содержание
- В ньютоновской теории каждое массивное тело порождает силовое поле притяжения к этому телу, которое называется гравитационным полем. Это поле потенциально, и функция гравитационного потенциала для материальной точки с массой
- Сила притяжения, действующая в гравитационном поле на материальную точку с массой
- Сферически симметричное тело создаёт за своими пределами такое же поле, как материальная точка той же массы, расположенная в центре тела.
- Траектория материальной точки в гравитационном поле, создаваемом много большей по массе материальной точкой, подчиняется законам Кеплера. В частности, планеты и кометы в Солнечной системе движутся по эллипсам или гиперболам. Влияние других планет, искажающее эту картину, можно учесть с помощью теории возмущений.
Сама идея глобальной гравитационной силы была высказана много раз еще до Ньютона. Эпикур, Газенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Робер, Хойгенс и другие думали об этом раньше. 1Кеплер считал, что гравитация обратно пропорциональна расстоянию от Солнца и что она распространяется только на падение уровня эклиптики, что, по его мнению, было результатом действия эфирной турбины. 2 Однако в письме к Хейли есть рассуждения, связанные с правильной опорой на расстояние Ньютона, а Бруальд, Рен и Ху 3 упоминаются как его предшественники. Однако до Ньютона никто не мог связать законы гравитации (силы, обратно пропорциональные квадрату расстояния) и планетарного движения (законы Кеплера) с четкими математическими доказательствами.
В крупном исследовании «Математические начала натуральной философии» (1687) Исаак Ньютон подвел закон гравитации под эмпирические законы Кеплера, как они были тогда известны. Он показал следующее:.
- наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
- обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.
Теория Ньютона отличалась от проблем его предшественников некоторыми существенными отличиями. Ньютон не только опубликовал гипотетический вид глобального закона всемирного тяготения, но и фактически предложил полную математическую модель.
- закон тяготения;
- закон движения (второй закон Ньютона);
- система методов для математического исследования (математический анализ).
Вместе эта троица достаточна, чтобы завершить самые сложные движения небесных тел и тем самым создать основу для небесной инженерии. До Эйнштейна не было необходимости менять принципы вышеупомянутых моделей, но математические аппараты оказались значительно более развитыми.
Обратите внимание, что теория гравитации Ньютона, строго говоря, не является солнцецентричной. Планеты, которые уже находятся в проблеме двух тел, не вращаются вокруг Солнца, а вращаются вокруг общего центра тяжести, потому что Солнце притягивает планеты так же, как планеты притягивают Солнце. Наконец, стало ясно, что необходимо изучить влияние планет.
Со временем было установлено, что законы всемирного тяготения являются фундаментальными, объясняющими и точно предсказывающими движение небесных тел. В то же время теория Ньютона содержала несколько трудностей. Главным из них был огромный спектр загадочных явлений. Гравитация не могла быть полностью понята через пустое пространство и была бесконечно быстро заражена. По сути, ньютоновская модель была чисто математической и не имела физического содержания. Ведь если, как предполагается, Вселенная евклидова и бесконечна, а средняя плотность материи в ней ненулевая, то возникает гравитационный парадокс. В конце 19 века была обнаружена еще одна проблема. Расхождение между теоретическими и наблюдаемыми смещениями вокруг Гермеса.
Дальнейшее развитие
Общая теория относительности
На протяжении 200 лет физики предлагали различные способы улучшения ньютоновской теории гравитации. Эти усилия увенчались успехом в 1915 году, и все эти трудности были преодолены с созданием Эйнштейном общей теории относительности. Теория Ньютона была показана как более общий подход к теории, в полном согласии с принципами коммуникации. Он применяется при соблюдении двух условий.
- Гравитационный потенциал в исследуемой системе не слишком велик: \ll 1″ width=»» height=»» />.
- Скорости движения в этой системе незначительны по сравнению со скоростью света: \ll 1″ width=»» height=»» />.
Квантовая гравитация
Однако даже общая теория относительности не является окончательной теорией гравитации, поскольку она не объясняет адекватно гравитационные процессы на квантовом масштабе (расстояние по шкале Планка, примерно 1,6 — 10 — 35 м). Построение последовательной квантовой теории гравитации является одной из самых важных нерешенных проблем современной физики.
Если мы говорим о Земле и притягивающихся к ней объектах, то можно сказать, что это одно и то же. Тогда мы можем приравнять эти силы и даже описать своего рода ускорение свободного падения.
Как Ньютон открыл закон всемирного тяготения
Когда говорят о законах классической инженерии, всегда упоминают Исаака Ньютонира. Ученый опрокинул представления своих современников об окружающем мире и, что самое главное, математически обосновал свои проблемы на долгие годы после смерти физика.
Его имя связано с одной из аксиом современной физики. Аксиомы современной физики были предметом долгих научных споров в его время — закон всемирного тяготения Ньютона, который он открыл в 1688 году и опубликовал в своих знаменитых «Трех инженерных законах». Основа для развития науки о движении.
Всем, наверное, известна история открытия всемирного закона тяготения, согласно которой знаменитый физик впервые задумался о явлении гравитации, когда увидел, как упало яблоко во время прогулки в саду своей матери. Многие считают, что плод упал на голову ученого и «перешел» в его сознание. Так это или нет, сегодня определить сложно. Возможно, благодаря этой интересной истории, мы решили рассказать ребенку о сути такого важного закона простым способом. Важно отметить, что многие ученые до Ньютона объясняли гравитацию по-своему, но он смог объяснить ее со всей строгостью и простотой математики.
Законы гравитации не столь привлекательны, когда объясняют, как тело падает на землю. В мифе о его открытии есть важное объяснение, что в 1666 году Ньютон уже рассматривал движение объектов, в частности Луны. Тем не менее, зная, что спутники вращаются вокруг Земли, ученые попытались понять причины такого поведения и увидели яблоко, выкорчеванное соседними ветками и землей.
Это послужило причиной его предположения, что именно влияние Земли не позволяет телу висеть в воздухе без опоры, и что Луна движется по своей наблюдаемой орбите. Однако его непосредственное доказательство было невозможно. Проведя все расчеты, Ньютонир сформулировал всемирный закон тяготения, но из-за несправедливых расстояний между спутниками и планетами в то время погрешности были настолько велики, что, учитывая случившееся, его чувствительная натура была неприемлема. Только 22 года спустя, имея более точные и более достоверные доказательства, ученые представили его закон общественности.
История открытия закона всемирного тяготения
Гравитацию изучали еще древние греки, но большинство предложенных теорий были далеки от реальности. Сам Исаак Ньютон в переписке с Эдмундом Хейли назначил французского астронома Исмаила Брильяра, английского математика Кристофера Рене и британского ученого Роберта Гука, которые оказались многочисленными учеными.
Однажды Ньютон сказал в частном письме Гуку: «Если вы видите меня далеко от других, то это потому, что я стоял на плечах гигантов». Нельзя не согласиться со скромностью ученого. На самом деле его догадкам помогали великие умы истории.
Система Коперника
История открытия закона всемирного тяготения начинается с польского астронома Николая Коперника и его работы «О вращении небесных сфер», в которой в 16 веке была предложена революционная теория, согласно которой Солнце является центральным. Мировая система (планеты мира. Вокруг Солнца).
До 1543 года землецентрическая модель, сформулированная Птолемеем во втором веке (все планеты и солнце вращаются вокруг земли), была общепринятой и не подвергалась сомнению, но после публикации книги Коперника научное восприятие общества потребовало значительного и важного изменения признания.
В работах астрономов сама гравитация не упоминалась, но законы Ньютона влияют как на Солнечную систему, так и на Землю. Поэтому, чтобы поставить задачу раскрытия механизмов Вселенной (чем, в общем, и занимается физика как наука), важно понять, что наша планета не является центром Вселенной, и то, что показал Николаос, имеет большое значение. Коперник.
Первые догадки Уильяма Гильберта
Имя Уильяма Гильберта хорошо известно в области изучения электрических и магнитных явлений, что помогло ему прославиться в инженерном деле. Гильберт был одним из первых ученых, согласившихся с Коперником и его картиной мира, но предшественником Ньютона его делает то, что Гильберт первым высказал предположение о природе гравитации на Земле и Луне.
В посмертной работе физика, опубликованной в 1603 году, ученые предположили, что наша планета и его луны являются гигантскими магнитами и поэтому притягиваются друг к другу. Кроме того, в проекте говорится, что магнетизм Земли больше из-за различий между ее массами. В общем смысле эти смелые предположения оказались верными, но природа взаимодействия была неверно представлена Гильбертом. Он считал, что движение планет обусловлено действием магнетизма.
Три закона Кеплера в открытии закона всемирного тяготения
Первыми эмпирическими соотношениями, которые приблизились к открытию закона всемирного тяготения, были законы Кеплера, первые два из которых датируются 1609 годом, а третий — 1618 годом.
Учитель Иоганна Кеплера, датский алхимик и астроном Брей, первым провел точные астрономические наблюдения за движением планет и составил таблицу координат. Получив это наследство, Кеплер понял, что планеты движутся с определенной закономерностью, в результате чего были выведены три закона, объясняющие идеализированную картину мира, сосредоточенную в центре Солнца.
Краткая биография великого английского учёного Исаака Ньютона
Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года. Отец мальчика умер после его рождения, но до его рождения, поэтому мать будущего ученого создала новую семью, оставив сына на попечение родственников-родителей. Ньютон рос болезненным, но мечтательным ребенком, уже тогда проявляя любовь к чтению и конструированию простых игрушек. Однако в первые годы мальчик плохо учился в школе, и только его отношение к учебе изменилось. Будучи слабым ребенком, Ньютон подвергся нападению одноклассников и, обнаружив, что вряд ли сможет победить их физически, решил мысленно обмануть своих обидчиков.
Так, в 1661 году Исаак Ньютон стал студентом колледжа Святой Троицы, находящегося под опекой Кембриджского университета, который оставался связан с ним более 30 лет. В период чумы, которая властвовала в Англии с 1665 по 1667 год, Ньютон вернулся на родину и сделал большинство своих научных открытий именно в этот период, как утверждал сам ученый.
Вернувшись в университет в 1668 году, Исаак Ньютон получил степень магистра в своей альма-матер. В более поздние годы физик очень заинтересовался алхимией, математическим анализом и визуальными экспериментами, и смог изобрести телескоп с рефлектором, который помог ему открыть множество астрономических объектов.
Ньютон был замкнутым антисоциальным человеком, который не хотел делиться своими научными открытиями из-за споров и дебатов, в которые он был постоянно вовлечен. Зимой 1677 года в его доме сгорела большая часть его рукописей, а его друг Исаак Барроу умер в мае того же года. Люди.
В 1689 году, через два года после публикации своих знаменитых «Элементов», их автор начал свою административную деятельность и вступил в Коллегию парламента, но в 1696 году Ньютон в конце концов оставил Коллегию и был назначен хранителем Монетного двора.
Интересное событие: работая в суде, физики смогли разработать технику резки, которая минимизировала подделку. Нововведение заключалось в украшении губы монеты небольшой линией, которая используется и по сей день.
В 1703 году Королевское общество избрало Ньютона президентом, а королева Англии Анна присвоила ему титул сэра в 1705 году.
Исаак Ньютонир умер 31 марта 1727 года. Модернисты утверждали, что на его похоронах присутствовал весь Лондон.
Вопрос о том, как был открыт всемирный закон гравитации, на первый взгляд кажется простым. На самом деле за ее ответом скрываются годы работы многих ученых, которые постепенно сделали возможным его открытие.
Вместе эта троица достаточна, чтобы завершить самые сложные движения небесных тел и тем самым создать основу для небесной инженерии. До Эйнштейна не было необходимости менять принципы вышеупомянутых моделей, но математические аппараты оказались значительно более развитыми.
Определение закона всемирного тяготения
Датские астрономы, наблюдавшие за движением планет в течение многих лет, собрали большое количество интересной информации, которую они не смогли обработать. Ученики Иоганна Кеплера, напротив, смогли это сделать. Кеплер использовал идеи Коперника о системе, центрированной на Солнце, и наблюдения Тихо Брея, чтобы установить законы движения планет вокруг Солнца. Но даже он не смог объяснить динамику этого движения, т.е. почему планеты движутся по таким законам.
В то время это было время Исаака Ньютона, который уже открыл три основных закона динамики. Ньютон предположил, что ряд явлений, которые, казалось бы, не имеют ничего общего друг с другом, вызваны одной причиной — силой гравитации. После многочисленных расчетов ученые пришли к выводу, что все тела в природе притягиваются друг к другу силой, прямо пропорциональной их массе и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Рисунок 1.Портрет Ньютона.
Ньютон пришел к такому выводу следующим образом. Из второго закона Ньютона (динамического) следует, что ускорение тела под действием силы обратно пропорционально его весу: $ a =< F \over m>$, но ускорение при свободном падении при $ g = $ 9,8 не зависит от массы тела. А это, по-видимому, возможно только в том случае, если сила, притягивающая Землю, изменяется в зависимости от массы тела.
Согласно третьему закону Ньютона, сила, с которой взаимодействует тело, равна его модулю. Если сила, действующая на тело, пропорциональна массе этого тела, то сила, действующая на второе тело, очевидно, пропорциональна массе второго тела.
Однако сила, действующая на оба тела, одинакова и поэтому пропорциональна как первому, так и второму телу.
Исаак Ньютон открыл этот закон в возрасте 23 лет, но в течение девяти лет не публиковал его. Только в 1667 году, после адаптации расстояний, закон всемирного тяготения был окончательно опубликован.
Ниже приведена формулировка и определение Закона всемирного тяготения. Все тела притягиваются друг к другу силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной их квадратам. Эта сила называется гравитацией.
Рисунок 2.Типы законов всемирного тяготения.
Гравитация очень мала и становится заметной только в том случае, если хотя бы одно из взаимодействующих тел (планета, звезда) имеет большую массу.
Рисунок 3.Планеты в Солнечной системе.
Этот закон иллюстрирует еще одно фундаментальное свойство массы. Масса отражает характеристики притяжения тела к другим телам и определяет силу этого притяжения.
Применение закона всемирного тяготения
Как и другие законы, закон всемирного тяготения имеет некоторые ограничения в применении. Действителен для:.
- материальных точек;
- тел, имеющих форму шара;
- шара большого радиуса, взаимодействующего с телами, размеры которых много меньше размеров шара.
Закон не применим, например, к взаимодействию между бесконечным стержнем и сферой. В этом случае гравитация обратно пропорциональна расстоянию, а не квадрату расстояния. И сила притяжения между, например, телом и бесконечным уровнем не зависит от расстояния.
