что такое гравитационное поле земли простыми словами
Гравитация, или На чём держится мир
Гравитация — это сила, которая действует на каждого обитателя Земли, впрочем, как и на саму Землю. Утрируя, можно сказать, текущий вид Вселенной существует благодаря силе притяжения. А значит пора разобраться, что такое гравитация простыми словами.
Определение гравитации
Слово «гравитация» происходит от латинского gravitas — вес.
Гравитация — сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Именно благодаря ей мы не улетаем в космос, всегда притягиваясь к Земле. Так и планеты Солнечной системы всегда испытывают притяжение звезды и остаются на своих местах.
Как работает гравитация
Сила притяжения зависит от массы объектов и расстояния межу ними. Все, что имеет массу, имеет и гравитацию. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Она ослабевает с расстоянием, и чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их тяготение.
Исаак Ньютон был первым, кто математически описал гравитацию и то, что она одинаково действует на все объекты во Вселенной: от падающего яблока до планет, которые движутся вокруг звезды. Так и появился закон всемирного тяготения, которого придерживались веками.
Сила притяжения F между двумя материальными точками с массами 
и , разделёнными расстоянием , действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Здесь — гравитационная постоянная, равная 6,67408(31)·10 −11 м³/(кг·с²).
Кстати, падение яблока на голову Ньютона — это миф. Он действительно любил отдыхать под яблоней, и наблюдения за падающими яблоками натолкнуло его на мысль о всемирном тяготении. Но по голове Ньютона ничего не било.
Теория Ньютона объясняла гравитацию как некую силу. Но в последствии появилась теория Эйнштейна, в основе которой подход геометрический. Если простыми словами: крупные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, а в это «искривление» попадают другие объекты.
Этот принцип хорошо показан в этом ролике:
Теория Энштейна — является действующей на сегодня.
Насколько важна гравитация?
Очень важна! Гравитация — это одна из сил фундаментальных взаимодействий, которым подчиняется всё, что есть во Вселенной. Вот эти взаимодействия:
Именно благодаря им мир такой, каким мы его знаем. Гравитация в этом списке является самым крупномасштабным, но одновременно и самым слабым взаимодействием, остальные — определяют взаимодействия на уровне частиц.
Как гравитация повлияла на Вселенную
Именно сила притяжение создает звезды и планеты, собирая вместе материал, из которого они сделаны. Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и то, что удерживает Луну на орбите вокруг Земли.
Роль гравитации для землян
Те условия, в которых мы живём, были бы невозможны без неё. Она удерживает нашу планету на одинаковом расстоянии от Солнца, не позволяет атмосфере покинуть пределы Земли, как и всему, что находится на её поверхности. Гравитационное притяжение Луны притягивает к себе моря, вызывая приливы океана.
Луна и приливы на Земле
Гравитация очень важна для нас. Мы не могли бы жить на Земле без неё. Тяготение Солнца удерживает Землю на орбите вокруг него на постоянном комфортном для жизни расстоянии. Сила притяжения удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы дышим.
Гравитация — это то, что скрепляет наш мир.
Однако гравитация не везде одинакова на Земле. Она немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой.
Есть ли гравитация у человека?
У каждого материального объекта есть своя сила притяжения, и человек не является исключением.
О выходе новых статей рассказываем в соцсетях
3. Физическая сущность гравитации
Анализируя современные теории гравитации, начиная с Ньютона и его последователей, мы видим сложность восприятия этого явления. Она заключается в том, что термин «тяготение» ассоциируется с термином «гравитационное излучение». Но если это излучение, т.е. нечто, исходящее от гравитирующего тела (например, Земли), то, как оно может действовать в обратном направлении, т.е. притягивать? Гегель указывал на это несоответствие ещё 200 лет назад. Он считал, что притяжение есть производное от отталкивания, однако, обосновать это теоретически не удосужился.
Физика не может использовать интуитивные прозрения, если их нельзя сформулировать последовательным математическим языком и дополнить описанием на обычном языке. Кроме того, существующие сегодня теории гравитации, включая закон всемирного тяготения Ньютона и общую теорию относительности Эйнштейна, не отвечают на самый главный вопрос – откуда берётся энергия на создание и поддержание гравитационного поля. По расчётам учёных сила притяжения Солнца, удерживающая Землю на орбите, составляет 3,6х10^(21)кгс. Но кроме Земли надо притягивать и другие планеты. Учёные попали в тупик, выяснив, что Солнце не в состоянии энергетически обеспечить притяжение планет солнечной системы. Ньютон, да и Эйнштейн долго бились над этим вопросом, но так и не нашли разумного ответа. В конце концов, Ньютон решил, что сама масса является источником силы притяжения. Так появилась гравитационная масса, которую он отделил от веса. Но при этом ему пришлось внести в свою теорию другую массу – инертную, как количество вещества. К его удивлению, математические вычисления показали, что эти массы в точности равны друг другу. Так родился закон эквивалентности тяжёлой и инертной массы, который Эйнштейн использовал для построения общей теории относительности. Таким образом, Ньютон отказался от физического объяснения наблюдаемых явлений, заменив его математическим. По его пути пошёл и Эйнштейн, создавая свою теорию гравитации, в которой доминирующую роль играет не масса, а пространство и время, как физические объекты. Поэтому его теорию называют ещё геометрической. Конечно, геометрия может определять параметры сил, но она не может быть причиной движения.
В ХХ веке появилась, и начала быстро развиваться квантовая теория микромира и отдельная её ветвь – квантовая теория гравитации. Её трудность, прежде всего, заключается в том, что она основана на математическом формализме довольно высокого уровня, когда по результатам вычислений судят о физической сущности рассматриваемого явления. Кроме того, она постулирует наличие в природе элементарных частиц – гравитонов, ответственных за гравитационное взаимодействие. Как известно, несмотря на долгие поиски, эти частицы так и не были обнаружены. К тому же, эта теория, как и все предыдущие, не отвечает на вопрос – где находится источник энергии, питающий гравитационное поле. Итак, все перечисленные выше теории, а также подобные им (сегодня их насчитывается более десятка) являются чисто математическими, с невыявленной физической сущностью. Такие теории не дают выхода на проведение экспериментов, подтверждающих их. Объясняя отсутствие широкомасштабных экспериментов с гравитацией, учёные ссылаются на то, что, согласно теории Ньютона, для их проведения требуется огромная масса, поскольку именно она является источником гравитационных сил, а это практически невыполнимо. Что же касается общей теории относительности Эйнштейна, то в ней, как уже отмечалось, одна математика, а физической сущностью выступают пространство и время, которые не поддаются экспериментам. Не в лучшем виде в этом вопросе выглядит и квантовая теория гравитации. А, как уже говорилось в главе 1, при использовании математических методов в решении задач, необходимо соблюдать осторожность.
В первую очередь, для проверки термодинамической природы гравитации необходимо создать искусственное гравитирующее тело. До сих пор такая идея не могла прийти в голову ни одному исследователю, поскольку она противоречила бы всем известным на сегодня теориям гравитации. Однако, согласно ТМГ, процессы, связанные с излучением гравитационных волн Землёй можно сымитировать в миниатюре. Сама природа подсказывает, как это можно осуществить, причём очень просто и наглядно. Для этого необходимо взять шар, желательно побольше, из материала, выдерживающего высокую температуру. Внутрь его поместить источник тепловой энергии и установить этот шар на весы. Предположительно, он должен терять в весе (конечно незначительно) вследствие того, что своим гравитационным излучением будет отталкиваться от подобного излучения Земли (так же как Луна). Так и произошло. Для решающего эксперимента был изготовлен стальной шар диаметром 100мм. В шаре было сделано конусное отверстие до центра. Затем его поставили на лабораторные весы рычажного типа ВЛТ-5 с ценой деления 0,3г и уравновесили обычными гирями. Вес шара составил 4,2кг. В качестве источника тепловой энергии был использован лазер ЛТ1-2 с энергией луча 5 кВт. Луч был направлен в конусное отверстие шара сверху вниз. По мере повышения температуры поверхности шара (измерение проводилось термопарой) стрелка весов, как и предполагалось, медленно отклонялась в сторону уменьшения веса. Приблизительно через полтора часа, при достижении температуры поверхности шара 300°С лазер был выключен. Разница (уменьшение) в весе шара по сравнению с первоначальным показанием (в холодном состоянии) составила 3г (десять делений шкалы). При отключении лазера, вес вернулся к исходному.
Далее, чтобы разнообразить эксперименты, гравитирующее тело было изготовлено в форме тора, или, попросту говоря, большого бублика из каолинового волокна с «запеченной» внутри по оси электроспиралью мощностью 500Вт. Тепловой поток в нём, как и в шаре, распространяется изнутри по радиусу, т.е. будет направленным. Взвешивание «бублика» производилось на тех же весах, что и в предыдущем опыте. В этом эксперименте, как и в опыте с шаром, тепловая энергия на создание гравитационного излучения расходовалась со всей поверхности тора. При этом рабочая часть поверхности, которая взаимодействует с гравитационным излучением Земли, составляет 20-25% от всей его поверхности. Если бы вся энергия спирали была направлена в рабочую, нижнюю, зону тора, то эффект потери веса тора увеличился бы раз в 10. Это предположение можно отнести и к эксперименту с шаром. Выводы, полученные из этих двух опытов, послужили толчком для создания гравитирующего тела в виде «тарелки». Эта «летающая тарелка» была изготовлена из двух алюминиевых полусфер диаметром 350мм. В нижней полусфере установили графитовый сердечник (излучатель) диаметром и высотой 100мм. Нижний его торец выпустили на 10мм наружу, а на верхнем уложили электроспираль в фарфоровых бусах мощностью 0,8кВт. Всё остальное пространство обеих полусфер было заполнено каолиновым волокном. Вес «тарелки» в холодном состоянии составил 3,5кг, а гравитирующая способность (уменьшение веса) к концу эксперимента составила 5г. Взвешивание проводилось всё на тех же весах. Надо сказать, что здесь я ожидал лучшего результата. Очевидно, большая часть теплового потока, проходящего через сердечник, отклонялась в стороны для прогрева теплоизоляции его боковой поверхности. В результате, только часть теплового потока преобразовалась в гравитационное излучение, которое взаимодействовало с подобным излучением Земли.
Наилучшие результаты, т.е. потеря веса, были получены на модели гравитирующего тела, в шутку названного «летающая кастрюля», по аналогии с «летающей тарелкой». Эта модель и в самом деле была изготовлена из кастрюли с диаметром и высотой 160мм. В днище вырезали отверстие диаметром 100мм, на которое уложили диск из графита диаметром 130мм и толщиной 35мм. На диск, как и в предыдущем эксперименте, уложили электроспираль в фарфоровых бусах мощностью 600Вт. Всё свободное пространство «кастрюли» заполнили каолиновым волокном. Вес модели в холодном состоянии составил 2,534кг. На этот раз взвешивание проводилось на электронных весах МК-6-А20 с ценой деления 2г. Это позволило наблюдать за изменением веса модели во времени вплоть до минут в процессе её нагревания, а затем остывания в естественных условиях. Модель была установлена на специальной подставке, исключающей возможность нагрева механизма весов. Результаты эксперимента сведены в таблицу.(см. таблицу изменения веса модели при нагреве и остывании)
Что такое гравитация и как она работает
Что такое гравитация: Freepick
Что такое гравитация и как она работает, узнаем еще в школе. Многие помнят историю о том, как яблоко оказалось на голове Ньютона, в результате чего ученый открыл закон всемирного тяготения. Однако явление гравитации не такое простое, как может показаться на первый взгляд.
Что такое гравитация и история ее открытия
Термин «гравитация» имеет латинское происхождение. Он произошел от слова gravitas, что означает ‘вес’. Также известно слово «гравитировать», которое описывает процесс, когда объекты притягиваются друг к другу. Именно эта сила удерживает нас на Земле, а саму планету удерживает в определенном пространстве Солнечной системы.
Какое дают определение гравитации? Это сила, притягивающая тела друг к другу. Все, что состоит из материи, то есть все, до чего можно дотронуться, обладает гравитационным притяжением. Это и человек, и планета, и яблоко.
Избежать действия гравитационной силы невозможно. Даже на космонавтов, которые в космосе находятся в невесомости, она влияет. Только очень быстрое движение помогает им сохранять постоянное состояние свободного падения.
Пытливое человечество на протяжении тысяч лет интересовалось гравитацией, как пишет в исследовании «Гравитация и Вселенная» Р. Дикке:
Падение предметов и гравитация: Freepick
Прорывом в описании гравитации стал закон всемирного тяготения авторства Исаака Ньютона. Легенда гласит, что на голову ученого с дерева упало яблоко. После этого случая он задумался о силе, которая заставляет предметы падать на землю. Свои мысли Ньютон выразил математически и показал, что:
Движение некоторых планет, например Меркурия, с помощью этого закона классической физики объяснить не удавалось.
Научные поиски продолжились, и позже Эйнштейн, благодаря своей теории общей относительности, изменил взгляды физиков на понятие гравитации. Эта теория объясняет воздействие гравитации не как силу, а как кривую в пространстве-времени, возникающую рядом с крупными объектами. Эти гипотезы помогли объяснить необычную орбиту Меркурия.
Исследования гравитации продолжаются и сейчас, после того как теория относительности объяснила некоторые несоответствия в ньютоновской гравитации. Вселенная предлагает ученым тайны, которые они пока не в силах объяснить. Так, гравитация не сочетается с теорией квантовых полей. Продолжаются исследования того, как эта сила взаимодействует с другими фундаментальными силами.
Изучение гравитации имеет практическое применение. С помощью космических аппаратов НАСА отслеживаются изменения гравитации Земли, благодаря чему ученые фиксируют изменения уровня морей и земной коры.
Принципы работы гравитации и почему она важна
Гравитация имеет очень большое значение. Благодаря этой силе предметы не только удерживаются на Земле, но и имеют вес. На планетах, где гравитационная тяга меньше, вес уменьшится. Гравитация была необходима для создания Вселенной, а сейчас служит стабилизирующей силой:
На то, как работает гравитация, влияет масса объектов и расстояние между ними:
Движение Земли: Freepick
На современном этапе развития физики говорят о четырех фундаментальных силах во Вселенной: гравитации, электромагнитном, слабом и сильном взаимодействиях. Эти силы влияют на движение объектов и фактически определяют, как будет взаимодействовать все во Вселенной.
Гравитация считается самой слабой из них, но ее легко увидеть и почувствовать, а по масштабам воздействия она очень влиятельна. Гравитация — фактор, который заставляет людей ходить по Земле, одновременно удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, а само Солнце на его месте в Галактике.
Если внезапно по какой-то причине гравитация исчезнет, то все предметы, которые не прикреплены к поверхности Земли, продолжат движение вслед за движением планеты и быстро окажутся на просторах космоса:
Как отмечает сотрудница Портсмутского университета Карен Мастерс, такие процессы в конечном итоге разрушили бы планету, так как не осталось бы силы, которая могла удерживать ее в виде единого целого.
Такова могущественная и загадочная сила — гравитация. Ее воздействие люди испытывают на себе каждую секунду и часто мечтают ее преодолеть. На самом деле без воздействия гравитации наша жизнь оказалась бы невозможной.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Что такое гравитация простыми словами: определение гравитации
Содержание:
Тяжелые тела, если их подбросить и отпустить над поверхностью, падают – они притягиваются планетой. Все вещи в мире одновременно притягиваются одна к другой. Рассмотрим, что такое гравитация простыми словами, её формулу, особенности явления на Земле.
Силы всемирного тяготения
Если между телами существует гравитационное взаимодействие, значит, оно действует между атомами, элементарными частицами, ведь они обладают весом. Предположение доказал Генри Кавендиш ещё в конце XVIII века. Эксперимент показал, что малые свинцовые шары притягиваются к большим.
Интересно. Фотон всемирному притяжению не подвержен – это частица без веса.
Сила гравитационного притяжения: формула
, здесь:
Закон применяется для проведения вычислений с телами, габариты которых на порядок меньше расстояния между ними. Актуален для материи и полевых (энергетических) образований, например, радиоволн.
Гравитационная постоянная – константа, называемая коэффициентом пропорциональности. Физически это – модуль притяжения, возникающего между двумя точечными телами, расположенными на расстоянии единицы. Ныне значение принято считать равным:
Точность измерения величины на порядки ниже, чем иных постоянных в физике, поэтому в старых учебниках возможно отклонение величины на доли процента.
Путём математических преобразований вычисляется взаимоотношение между G и g.
Из определения гравитации:
-масса планеты Земля.
Подставим значения и получим:
Вы знаете, что сила тяжести напрямую зависит от массы взаимодействующих тел. Они на разных планетах притягиваются с различной силой.
Если гравитация это не сила, то как она «притягивает» объекты?
Считается, что гравитация ответственна за все происходящее в нашей Вселенной – от падения яблока на голову Исаака Ньютона, до вращения сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Обычно мы представляем гравитацию как силу, которая притягивает вещи к массивным объектам. В некоторых учебниках по физике, особенно начальных классов, можно встретить утверждения о том, что «гравитация Земли притягивает объекты к центру планеты». Но так ли это? Исследователи полагают, что ключом к разгадке тайны гравитации является термин «ускорение», а не «тяга». Дело в том, что гравитация вообще не притягивает объекты; скорее, она искривляет пространство-время, заставляя объекты следовать за создаваемыми ей изгибами, в результате чего они иногда ускоряются. В этой статье разбираемся чем на самом деле является гравитация.
Мы воспринимаем гравитацию, как силу, которая «притягивает» к себе объекты. Но так ли это?
Ньютоновская гравитация
В 1665-1667 годах в Англии бушевала бубонная чума. В этот период молодой ученый по имени Исаак Ньютон вернулся из Кембриджского университета на свою семейную ферму в Вулсторпе. Время, проведенное в изоляции, позволило ему познать физическую природу света: Ньютон провел множество экспериментов и пришел к выводу, что свет можно рассматривать как поток частиц, которые исходят от некого источника и двигаются по прямой до ближайшего препятствия.
Такая модель света называется корпускулярной; она легла в основу классической физики, без которой современных достижений науки просто не существовало бы.
Считается, что примерно в это же время Ньютон стал автором своего наиболее известного открытия – Всемирного закона тяготения. Он совершил концептуальный прорыв признав два различных вида движения – равномерное и ускоряющееся.
В усадьбе Вусторп Ньютон совершил свои величайшие открытия. Вот что самоизоляция с людьми делает!
Важно понимать, что для современников Ньютона гравитация была земной силой; она была ограничена объектами вблизи поверхности Земли. Но в семейном яблоневом саду Ньютон обнаружил, что гравитация – сила универсальная. Она простирается до самых планет, до Луны, звезд и дальше.
Сегодня, благодаря трудам еще одного великого ученого, мы знаем, что энергия буквально говорит пространству-времени, как изгибаться: согласно Общей теории относительности, сила тяжести возникает из-за искривления пространства и времени, а такие объекты, как Солнце и Земля, эту геометрию изменяют.
Гравитация Эйнштейна
Пытаясь разгадать величайшие тайны Вселенной Альберт Эйнштейн, которому на тот момент исполнилось 30 лет, понял, что пространство-время изгибает не сила, но масса. Изгибы, которые оставляют под собой массивные объекты, например Солнце, подсказывают энергии как двигаться.
Представить себе пространство-время можно в виде равномерно натянутой плотной ткани, в центр которой закинули бильярдный шар – точно так же, как изгибается ткань под давлением шара, изгибается и пространство-время под давлением массивных объектов.
Большой шар сильно искривляет пространство-время, заставляя меньший шар изменить свой курс и следовать за падением.
Вместо шара и ткани также можно представить себе автомобиль, который движется по извилистой дороге – когда автомобиль спускается с холма, то ускоряется. Массивные объекты во Вселенной подобны ускоряющемуся автомобилю – они создают экстремальные изгибы в пространстве-времени.
Интересно, что гравитация способна ускорять объекты, когда они входят (или приближаются) в глубокие гравитационные колодцы. Гравитационные колодцы – это концепция, согласно которой чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец.
Еще больше увлекательных статей о том, какие законы физикой управляют Вселенной и почему, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Гравитация и астероиды
Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она способна ускорять объекты, возьмем, к примеру, Землю и Луну. Земля – довольно массивный объект. По крайней мере, по сравнению с Луной. Это означает, что наша планета довольно сильно искривляет ткань пространства-времени.
Луна вращается вокруг нашей планеты из-за искривления пространства-времени, вызванного массой Земли. Выходит, она просто движется вдоль изгиба или нисходящего склона (в случае с автомобилем), который делает наша планета. В этом отношении на спутник Земли не действует какая-либо сила. Она просто следует определенному пути. Но почему в таком случае все астероиды и метеориты, пролетающие мимо нашей планеты, не попадают на орбиту?
Солнце и Луна искривляют ткань пространства-времени.
Причина, как полагают исследователи, кроется в пути, который проходит объект – он зависит от ряда факторов, таких как скорость, траектория и масса соответствующих объектов. Именно по этой причине каждый день сотни астрономов по всему миру наблюдают множество комет и астероидов, пролетающих мимо Земли и не попадающих на ее орбиту.
А если вам интересно, смогут ли люди когда-нибудь изобрести искусственную гравитацию, обязательно прочтите статью моего коллеги Владимира Кузнецова. В ней он подробно рассказывает о последних достижениях в этой области и о том, перестанет ли в скором будущем искусственная гравитация считаться атрибутом исключительно научной фантастики.