Що таке сила тяжіння і яке її значення для життя на Землі

Сімнадцяте століття недарма називають століттям великих астрономічних відкриттів. Багаторічні спостереження Галілея, Коперника, Тихо Бразі дали можливість сформувати Йоганну Кеплеру закони руху небесних тел. Для того щоб пояснити, чому планети знаходяться в нескінченному русі, що змушує їх залишатися на своїй орбіті і що таке сила тяжіння, знадобився геній - Ісаак Ньютон.

Гіпотези генія

Свої закони про рух Ісаак Ньютон сформулював не для теорії, а для практичного застосування. Узагальнюючи дані багаторічних астрономічних спостережень і завдяки своїм законам про рух, цей великий учений зміг відповісти на питання, яке ставив в глухий кут не одне покоління вчених: «Що утримує планети на своїх орбітах?» Адже до Ньютона вченими висувалися різні припущення – від кришталевих сфер до магнітних флюїдів. Завдяки першим законом Ньютона стало ясно, що для рівномірного прямолінійного руху сила не потрібна. Сила необхідна для того, щоб змусити планети рухатися по криволінійній орбіті. Якщо застосувати формулу сили з другого закону Ньютона, то вона буде дорівнює добутку прискорення на масу. Ньютон прийшов до висновку, що прискорення повинно бути рівним v 2 /R. Так більш легке небесне тіло, Місяць наприклад, буде обертатися навколо більш важкого, але ніколи не стане до нього наближатися. Це можна уявити собі як падіння з дотичній до окружності саму окружність. У точці дотику швидкість може бути постійною або рівною нулю, але прискорення присутній завжди. Постійний рух по заданій орбіті без відсутності видимого прискорення - ось відповідь Ньютона на питання про рух планет.

Тяжіння

Так, Місяць рухається навколо Землі, а Земля навколо Сонця, підкоряючись якійсь силі. Геніальність Ньютона проявилася в тому, що він об'єднав силу тяжіння небесних тіл з силою тяжкості, яка відома кожному жителю Землі. Існує легенда, що до правильних висновків Ньютона підштовхнуло звичайне яблуко, що впало йому на голову. Тяжіння яблука і Місяця до Землі описується з абсолютно однаковим законам – зробив висновок дослідник. Свою другу назву сила тяжіння отримала від слова «гравіс», що означає «вагу».

Гравітація

Узагальнивши закони руху планет, Ньютон з'ясував, що сила їх взаємодії може бути обчислена за формулою: Де m 1 m 2 - маси взаємодіючих тіл, R - відстань між ними, а G – деякий коефіцієнт пропорційності, який отримав назву гравітаційної постійної. Слово «гравітація» підібрано абсолютно правильно, адже відбувається воно від слова «вага». Точне число постійної Ньютону відомо не було, набагато пізніше значення G встановив Кавендіш. Можна бачити, що на дію сили тяжіння впливають маси тіл і враховується відстань між ними. Ніякі інші фактори на силу тяжіння впливати не можуть.

Значення закону тяжіння

Цей закон універсальний і може застосовуватися до будь-яких двох тіл, що мають масу. В випадку, коли маса одного взаємодіючого тіла багато більше маси іншого, можна говорити про окремому випадку гравітаційної сили, для якого є спеціальний термін "сила тяжіння". Це поняття застосовується для завдань, вичисляющих силу тяжіння на Землі або інших небесних тілах. Якщо підставити значення сили тяжіння в формулу другого закону Ньютона, отримаємо значення F=ma. Тут а – прискорення сили тяжіння, яке змушує тіла прагнути один до одного. В завданнях, пов'язаних з використанням прискорення вільного падіння, його зазвичай позначають літерою g. За допомогою розробленого ним інтегрального обчислення Ньютон математично довів, що сила тяжіння в кулі завжди зосереджена в центрі більшого тіла. В парі яблуко-Земля вектор прискорення спрямований до центру землі, в парі Земля-Сонце спрямований до Сонця і так далі.

Залежність сили тяжіння від широти

Сила тяжіння на Землі залежить від висоти тіла під поверхнею планети і від широти, на якій проводиться експеримент. Висота тіла впливає на значення R, як видно, чим далі відстань від поверхні Землі, тим величина g менше. Зв'язок сили тяжіння з широтою пояснюється тим, що Земля має форму кулі, а геоїда. У полюсів вона трохи сплюснута. Тому відстань від центру Землі до екватора до полюса буде різним – до 10 %. Така розбіжність робить вельми незручним розрахунки, наприклад, розрахунки вантажів трансконтинентальних перевезень. Тому за основу беруть показник сили тяжіння на середніх широтах 981 м/с 2 .

Вага тіла

У побуті широко застосовується таке поняття, як вага тіла. У фізиці він позначається буквою P. Вага – це сила, з якою тіло тисне на опору. В побутовому розумінні вага часто підмінюється поняттям «маса», хоча це абсолютно різні величини. В залежності від того, яке значення приймає сила тяжіння, змінюється і вагу тіла. Наприклад, вага свинцевої деталі на Землі і Місяці буде відрізнятися. А ось маса залишається незмінною і на Землі, і на Місяці. Крім цього, в певних випадках вага тіла може бути нульовим. Вага - величина, що має напрям, а маса - скаляр. Але так як згідно з третім законом Ньютона дія дорівнює протидії, вага тіла дорівнює силі реакції опори. Так як силу простої реакції опори виміряти досить важко, то досвід можна «перевернути», підвісивши яке-небудь тіло на пружину і вимірюючи ступінь розтягування цієї пружини. При цьому сила, що розтягує пружину з вантажем, матиме цілком логічне F=mg, де m - маса, а g - прискорення вільного падіння.

Перевантаження

Якщо вантаж з пружинкою підняти вгору, то прискорення сили тяжіння і прискорення підйому будуть спрямовані в протилежні сторони. Уявити це можна так: F = m(g+a). Сила тяжіння, а відповідно, і його вага, зростають. Для збільшення ваги, пов'язаного з додатковим прискоренням, існує спеціальний термін – перевантаження. Дія перевантаження відчував кожен з нас, піднімаючись на ліфті або злітаючи на літаку. Особливо сильну перевантаження відчувають на собі космонавти і льотчики надзвукових літаків при зльоті своїх літальних апаратів.

Невагомість

Коли тілу надається прискорення в напрямку сили тяжіння, тобто вниз у нашому випадку, тоді F=m(g-a). Так, вага тіла стає менше. У граничному випадку, коли a=g і спрямовані вони в різні сторони, можна говорити про нульовий вазі, то є тіло падає з постійною швидкістю. Стан, при якому вага тіла є нульовим, називають невагомістю. Людина переживає стан невагомості в космічному кораблі, коли він рухається з вимкненими двигунами. Невагомість – звичайний стан для космонавтів і льотчиків, які літають на надзвукових літаках.

Значення сили тяжіння

Без сили тяжіння не відбувалося б багатьох, які здаються нам природними, речей – не сходили б лавини з гір, не йшли б дощі, не текли б річки. Атмосфера Землі зберігається завдяки силі тяжіння. Для порівняння, планети з меншою масою, такі як Місяць або Меркурій, розгубили свою атмосферу дуже швидко і залишилися беззахисними перед потоком жорсткого космічного випромінювання. Атмосфера Землі грала вирішальну роль при виникненні життя на Землі, її видозмінення і збереженні. Крім сили тяжіння, на Землі діє сила тяжіння Місяця. Завдяки її близькому (в космічних масштабах) сусідству на Землі існують припливи і відливи, зсуваються континенти, а багато біологічні ритми збігаються з місячним календарем. Таким чином, силу тяжіння потрібно розглядати не як прикру перешкоду, а як корисний і необхідний закон природи.