Что с нами произойдет, если исчезнет гравитация?

• Колин Баррас
• BBC Earth

11 марта 2016

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Преодолеть силу земного притяжения? Во сне или в мечтах — запросто

Если бы сила притяжения внезапно исчезла, перспектива уплыть в открытый космос оказалась бы далеко не самой серьезной из ваших проблем, считает обозреватель BBC Earth.

Всем нам известно действие гравитации, или силы притяжения. Ее действие можно испытать на себе, просто подпрыгнув. Увы, тех из нас, кого прельщает карьера Супермена, ждет разочарование: каждый прыжок неизменно заканчивается возвращением на землю.

Но что произошло бы, если бы силу притяжения можно было «отключить»?

Законы физики неумолимы — такого просто не может произойти. Что не мешает людям рассматривать подобную ситуацию в теории.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Благодаря гравитации все, что взлетает вверх, неизменно возвращается на землю

Предлагаем вам наиболее вероятный сценарий развития событий, основанный на предположениях ряда ученых.

Физик Джей Баки, в прошлом — астронавт НАСА, рассказывает о влиянии отсутствия гравитации на человеческий организм в короткой видеолекции (доступны субтитры на русском языке) в рамках образовательного проекта Ted-Ed.

Сила привычки

По словам Баки, наш организм адаптирован к силе земного притяжения. Если человек определенное время проводит в условиях измененной силы тяжести — например, на борту космической станции, — его организм начинает изменяться.

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Коварство гравитации знакомо спортсменам не понаслышке

Общеизвестно, что члены экипажей космических кораблей за время экспедиции теряют костную массу и мышечный тонус. Изменениям подвергается и чувство равновесия.

Раны заживают дольше, иммунитет организма падает. В условиях слабой или отсутствующей силы притяжения наблюдаются также проблемы со сном. И все это происходит лишь после короткого времени, проведенного в космосе.

«А что бы произошло, если бы мы выросли в отсутствие гравитации? — спрашивает Баки. — Как бы развивались части нашего организма, зависящие от силы притяжения — такие как мышцы, вестибулярный аппарат, сердце и кровеносные сосуды?»

Можно смело предположить, что в таком случае человеческое тело эволюционировало бы по-иному.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

Жизнь в отсутствие гравитации изменяет человеческий организм

Баки упоминает эксперимент, в котором новорожденному котенку закрыли один глаз повязкой. Когда через несколько недель повязку сняли, оказалось, что этим глазом животное не видит.

Хотя само по себе глазное яблоко было физически абсолютно нормальным, связь его со зрительной корой головного мозга попросту не сформировалась, поскольку от глаза с самого начала не подавалась никакая визуальная информация. Очень наглядная иллюстрация поговорки «используй, или потеряешь».

Скорее всего, и другие органы нашего организма реагировали бы на отсутствие стимулов таким же образом.

Если бы не было гравитации, действие которой приходится компенсировать сердцу, мускулатуре и скелету, наши органы развивались бы совсем по-другому.

Однако в случае внезапного исчезновения силы тяжести долгосрочные последствия для организма были бы самой незначительной из наших проблем.

Все пропало?

Астроном Карен Мастерс из Портсмутского университета в Великобритании рассказывает в колонке Ask an Astronomer о том, какие физические явления произошли бы немедленно после исчезновения гравитации. Первая проблема, с которой столкнулось бы человечество, заключается в том, что Земля вращается с большой угловой скоростью. Представьте себе, что вы раскручиваете над головой бечевку с грузом на конце.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Тем, кто при исчезновении силы тяжести будет находиться внутри помещений, повезет несколько больше

«Мгновенно «отключить» гравитацию — все равно что выпустить бечевку из рук, — пишет Мастерс. — Любые предметы, не прикрепленные к земной поверхности, продолжат движение по прямой и улетят прямо в космос».

Тот, кто окажется в этот момент на улице, навсегда покинет Землю. Находящимся внутри помещений повезет больше, поскольку здания, как правило, настолько заглублены в грунт, что при исчезновении гравитации останутся на месте — по крайней мере, на какое-то время, пишет Мастерс.

Все остальное, не прикрепленное достаточно надежно к поверхности Земли, унесется в открытый космос. Одними из первых нас покинут атмосферный слой, а также вода в океанах, реках и озерах.

Отсутствие силы притяжения в конечном счете разрушит саму планету, пишет Мастерс: «Скорее всего, Земля развалится на части, которые разлетятся в разные стороны».

Похожая участь постигла бы и Солнце, как показано на видео канала Discovery News. Без «скрепляющей» силы притяжения колоссальное давление в ядре нашего светила разнесло бы его на клочки материи.

Tо же самое произошло бы со всеми другими звездами во Вселенной. Однако из-за гигантских расстояний последний свет умирающих звезд достиг бы нас лишь через долгие годы.

В конечном счете не осталось бы ни звезд, ни планет. Вселенная представляла бы собой «бульон» из рассеянных атомов и молекул, неспособных соединяться в более крупные скопления материи.

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Конец окажется зрелищным, но печальным

Этот сценарий — повторим, исключительно гипотетический — показывает, насколько важным является наличие гравитации для Вселенной.

Гравитация — одно из четырех достоверно известных нам так называемых фундаментальных взаимодействий, объясняющих физические процессы во Вселенной.

Остальные три не менее важны. Без электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий сами атомы распались бы на части.

Но гравитационное взаимодействие — единственное, чей эффект известен каждому из нас.

Наверное, именно по этой причине человечество настолько захватывают идеи наподобие антигравитации и такие научные достижения, как открытие гравитационных волн — даже если они никогда напрямую нас не затронут.

Проект 6. Перевернутый небоскреб

Почему в центре Земли тела невесомы?

Прежде всего, попытаемся понять идею барона: он утверждает, что в центре Земли жилец будет притягиваться во все стороны одинаково, и поэтому будет находиться в состоянии невесомости. Чтобы эта мысль была более понятной, рассмотрим ситуацию, когда точечная масса m находится в центре кольца, состоящего из большого числа точечных масс M (рис. 6.1).

Ясно, что каждые две противоположно лежащие массы M тянут жильца в противоположные стороны с одинаковыми по величине силами . Поэтому равнодействующая всех сил, приложенных к точечной массе m, равна нулю.

В аналогичной ситуации будет жилец, находящийся в центре Земли.

Почему же Профессор опасается, что вес жильца в центре Земли будет бесконечно большим? Он просто вспомнил формулу закона всемирного тяготения из школьного учебника: , где m и M — массы тел, а R — расстояние между ними. Он решил, что поскольку в центре Земли расстояние между жильцом и Землей равно нулю, то получается, что

Профессор забыл, что закон всемирного тяготения справедлив только для точечных масс, то есть тел, размерами которых в условиях данной задачи можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними. Такое приближение, например, вполне допустимо при расчетах движения планет вокруг Солнца, но в условиях нашей задачи считать Землю точечной массой, конечно же, нельзя!

Как будет изменяться вес тела по мере приближения к центру Земли?

Бизнесмен утверждает, что по мере погружения вглубь Земли вес тела будет возрастать, а барон, напротив, судя по приведенному на плакате рисунку, полагает, что чем глубже под землей находится жилец, тем меньше он весит. Кто же из них прав? Правы оба! Действительно, при погружении на глубину до 2000 км, вес тела возрастает, при дальнейшем погружении — убывает, и в центре Земли становится равным нулю!

Разберемся с этим вопросом подробнее.

Какой вес имеет тело, находящееся внутри сферической оболочки?

Пусть точечная масса m находится в точке O’ внутри сферической оболочки радиусом R (рис. 6.2) и пусть масса единицы площади поверхности сферы равна ρ.

Докажем, что равнодействующая всех гравитационных сил, действующих на точечную массу

m со стороны сферы, равна нулю.

1. Построим две узких конических поверхности с малым углом раствора α и с общей вершиной в точке O’, как показано на рис. 6.3. Эти конические поверхности «вырежут» на сфере кусочки поверхности, которые можно приближенно считать плоскими, что вполне допустимо, если угол α очень мал.

2. Площади вырезанных на сфере «кусочков» S₁ и S₂ пропорциональны квадратам их «диаметров» — отрезков AB и CD. Пусть AB = k·CD, тогда S₁ = k²·S₂, для масс вырезанных кусочков действует то же самое соотношение:

m₁ = k²·m₂

3. Рассмотрим углы ABC и ADC. Они равны, как вписанные в окружность и опирающиеся на общую дугу АС, поэтому обозначим их одной буквой φ.

4. Два угла (α и φ) треугольника O’AB равны двум углам треугольника O’DC , следовательно, эти треугольники подобны. Из подобия треугольников следует, что если R₁, R₂ — расстояния от тела до центров масс соответствующих кусочков сферы, то R₁ = k·R₂.

5. Найдем соотношение сил, действующих на тело массой m, находящееся в точке O’, со стороны тел массами m₁ и m₂, которые можно считать точечными (поскольку их размеры очень малы).

То есть F₁ = F₂, а значит, равнодействующая этих сил равна нулю.

6. Но ведь всю поверхность сферы можно разбить на такие пары противоположно лежащих «кусочков», и каждая такая пара даст равнодействующую, равную нулю.

Это значит, что суммарная сила, действующая со стороны сферы на точечную массу m, равна нулю. То есть сфера вообще не действует на точечную массу, расположенную внутри нее, в каком бы месте эта точечная масса ни находилась (совершенно необязательно, чтобы она находилась в центре сферы!).

Какой вес имеет тело, находящееся внутри шарового слоя?

Теперь от тонкой сферы перейдем к шаровому слою конечной толщины. Пусть точечная масса m теперь находится внутри шарового слоя (рис 6.4).

Ясно, что шаровой слой конечной толщины можно разбить на множество очень тонких концентрических шаровых слоев очень малой толщины — практически сфер. А каждая такая сфера, как мы только что выяснили, не оказывает воздействия на расположенную внутри нее точечную массу. Стало быть, и шаровой слой никак не будет действовать на точечную массу, находящуюся внутри него.

Точечная масса внутри однородного шара

А теперь перейдем к более сложному случаю: пусть точечная масса m находится внутри однородного шара радиусом R и плотностью ρ на расстоянии r от центра шара (рис. 6.5). Внешняя для точечной массы часть шара — наружный шаровой слой, — как мы только что доказали, на точечную массу действовать не будет, а внутренняя часть большого шара (малый шар радиусом r) будет притягивать нашу точечную массу с силой , где М =  — масса малого шара. Подставляя значение М в формулу для F, получим:

То есть сила тяжести прямо пропорциональна расстоянию до центра шара. Ясно, что если r = 0, то F = 0.

Значит, если бы Земля была однородным шаром, то вес тела действительно постепенно уменьшался с глубиной, и барон Мюнхаузен был бы абсолютно прав. Но на самом деле Земля не является однородным шаром: ее плотность с глубиной изменяется — а именно, увеличивается.

При погружении в шахту на величину силы тяжести оказывают действие два фактора: с одной стороны, уменьшается расстояние до центра Земли, поэтому сила тяготения увеличивается:

а с другой стороны, уменьшается масса «малого» шара, находящегося под погружаемым телом:

Вопрос в том, какой фактор окажет большее влияние на величину силы тяжести. Разберем два крайних случая.

1. Пусть шаровой слой над точечной массой m (см. рис. 6.5) имеет ничтожно малую плотность (ρ → 0), тогда масса «малого» шара радиусом r точно такая же, как и масса «большого» шара радиусом R. Тогда сила тяжести на расстоянии r R от центра будет явно больше силы тяжести на расстоянии R от центра. То есть в этом случае при погружении в шахту сила тяжести будет возрастать.

2. Пусть нулевую плотность имеет «малый» шар (см. рис. 6.5), то есть вся масса сосредоточена в шаровом слое над точечной массой m. Тогда уже на расстоянии r от центра сила тяжести будет равна нулю:

Это значит, что при погружении на глубину (R – r) величина сила тяжести уменьшилась от своего максимального значения до нуля.

Как мы уже говорили, Земля представляет собой неоднородный шар, причем плотность верхних слоев значительно меньше, чем плотность внутренних слоев. Поэтому при погружении под землю примерно до глубины 2000 км преобладает первый эффект — сила тяжести возрастает: , а потом сила тяжести начинает убывать — преобладает эффект убывания массы «малого» шара.

Сколько времени займет спуск до нижнего этажа?

Теперь ответим нашему Инженеру, которого интересует прежде всего практическая целесообразность проекта: как долго жилец перевернутого небоскреба будет спускаться до своей квартиры, если он живет в самом центре Земли?

Допустим, что лифт будет сначала разгоняться до какой-то очень приличной скорости (скажем, 1 км/c), потом будет какое-то время двигаться с этой скоростью, а в конце пути тормозить. Тогда для того, чтобы спуститься до центра Земли, потребуется время

(это без учета разгона и торможения!) Терпимо, конечно, но всё-таки довольно долго!

Гораздо эффективнее было бы предоставить лифту возможность свободно падать на первой половине пути, а на второй — тормозить с таким же по величине ускорением.

Сделаем грубую оценку времени спуска до центра Земли в этом случае. Будем считать, что среднее ускорение на участке от поверхности до глубины 3200 км равно 10 м/c². Тогда время, за которое лифт преодолеет этот участок пути, равно

Ясно, что такое же время потребуется на торможение. Всего, стало быть, 800 + 800 = 1600 с ≈ 27 минут. Это уже вполне приемлемо!

Правда, при таком режиме движения первую половину пути пассажиры будут находиться в невесомости, а на второй половине они будут испытывать небольшие перегрузки. Но если в этом доме предполагается поселить, главным образом, космонавтов, то подобные ежедневные тренировки пойдут им только на пользу!

В заключение отметим еще одну трудность практической реализации проекта: дом должен быть абсолютно герметичным, во-первых, и очень прочным, во-вторых, так как атмосферное давление в центре Земли будет просто чудовищным!

Прикинем, каким будет давление воздуха в шахте глубиной «всего лишь» 100 км. (Заметим, что самые глубокие современные скважины не превышают пока 12 км.) Будем исходить из того, что на поверхности Земли атмосферное давление равно 100 000 Па, а плотность воздуха равна 1,29 кг/м³ и не меняется с глубиной (на самом деле, плотность с глубиной, конечно, возрастает, поэтому наша оценка будет заниженной).

Тогда искомое давление будет равно:

p = p_a + ρgh ≈ 100000 Па + 1,29 кг/м³ · 9,8 м/c² · 100000 м = 1364200 Па ≈ 13,6 атм.

Такое же давление под водой на глубине 136 м! А ведь речь пока идет только о глубине в 100 км, а центр Земли находится на глубине 6400 км!

О трудностях, связанных с тем, что глубоко под Землей, мягко скажем, жарковато, мы распространяться не будем. Возможно, кто-то предложит принцип охлаждения перевернутого небоскреба?

Далее: Проект 7. Супернебоскреб

Сила тяжести — урок. Физика, 7 класс.

Силу гравитации, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности или вблизи неё, называют силой тяжести. Эта сила направлена к центру Земли.

Сила гравитации Земли для нас является самой важной, поэтому ей и дано особое название.

 

Земля притягивает всё, что находится вокруг неё: твёрдые тела, жидкости, газы.

Из-за того, что есть сила тяжести, возможно существование атмосферы (молекулы газа не улетают в космос), воды морей и океанов удерживаются на своих местах, если какой-либо предмет приподнимают и роняют, этот предмет падает вниз — в направлении Земли.

Силу, с которой Земля притягивает тела, можно рассчитать по формуле F=m⋅g, где \(m\) — масса тела, а \(g\) — ускорение свободного падения.

Ускорение свободного падения — это ускорение, которое вблизи Земли приобретает тело, падающее свободно и беспрепятственно. Вблизи поверхности Земли значение \(g\) равно примерно \(9,81\) мс2, для приблизительных расчётов можно использовать значение \(10\) мс2.

Что означает эта единица измерения?

 

Скорость свободно падающего тела каждую секунду увеличивается на \(9,81\) метров в секунду (м/с).

 

Если предмет падает, например, в течение \(4\) секунд, то скорость его падения в самом начале равна \(0\) м/с;

за \(1\)-ю секунду он достигает скорости \(9,81\) м/с;

за \(2\)-ю секунду он достигает скорости: \(9,81\), умноженное на \(2\) м/с \(=\) \(19,62\) м/с;

за \(3\)-ю секунду он достигает скорости: \(9,81\), умноженное на \(3\) м/с \(=\) \(29,43\) м/с;

за \(4\)-ю секунду тело достигает скорости: \(9,81\), умноженное на \(4\) м/с \(=\) \(39,24\) м/с, что приблизительно составляет \(141\) км/ч.

 

Обрати внимание!

Интересно, что кирпич и яблоко падают с одинаковой скоростью. Только падение лёгких предметов сопротивление воздуха замедляет сильнее, например, птичье перо из-за сопротивления воздуха будет падать медленнее.

Ускорение свободного падения на поверхности Луны составляет только \(1,62\) мс2.

На Юпитере значение \(g\) приблизительно равно \(26,2\) мс2, это примерно так же, как если бы человек в дополнение к своим \(60\) кг веса взвалил бы на плечи ещё примерно \(102\) кг.

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ • Большая российская энциклопедия

ГРАВИТАЦИО́ННЫЕ ВО́ЛНЫ (гравитационное излучение), колебательное изменение гравитационного поля, распространяющееся от источника в пространстве с фундаментальной скоростью $c$, равной скорости распространения света. Источником Г. в. являются любые массы, движущиеся с переменным ускорением. Подобно электродинамике, предсказывающей существование не связанного с зарядами свободного электромагнитного поля – электромагнитных волн, релятивистская теория гравитации – общая теория относительности (ОТО) – предсказывает существование не связанного с массами свободного гравитационного поля – Г. в. Воздействуя на тела, Г. в., имеющие энергию и импульс, должны вызывать относительное смещение их частей (деформацию). На этом явлении основаны эксперименты по их обнаружению, однако они очень сложны из-за чрезвычайно малой интенсивности Г. в. и их очень слабого взаимодействия с веществом.

В отличие от электродинамики, в ОТО нет положительных и отрицательных зарядов [все гравитационные заряды (массы) притягиваются друг к другу], причём гравитационная масса равна инертной для всех тел (этот опытный факт называется эквивалентности принципом).5,\tag{1}$$ где $G$ – гравитационная постоянная, $D_{ik}$ – компоненты квадрупольного момента масс.

В лаборатории на Земле можно создать лишь источники Г. в. весьма малой мощности. Например, если вращать стальной цилиндр массой 1 т вокруг оси, перпендикулярной оси цилиндра, со скоростью, при которой центробежные натяжения близки к разрывным, то мощность гравитационного излучения не превысит 10^–30 Вт.

Основными источниками Г. в. являются астрофизические объекты и явления, такие как тесные двойные звёздные системы, быстровращающиеся пульсары, столкновения нейтронных звёзд или чёрных дыр, взрывы сверхновых звёзд и др. Движущиеся близко друг к другу массивные астрофизические объекты могут быть источником мощного гравитационного излучения. Так, например, двойная звезда $ι$ Волопаса, две компоненты которой имеют массы порядка массы Солнца, испускает гравитационное излучение мощностью порядка 2·10²³ Вт с периодом ок. 3 ч. Эта мощность равна примерно 0,1% мощности всего электромагнитного излучения Солнца. Звезда $ι$ Волопаса находится на расстоянии 4·10¹⁷ м от Солнца, и плотность потока мощности гравитационного излучения от неё вблизи Земли составляет порядка 10^–15 Вт/м².

Открытие в 1972 двойных нейтронных звёзд (компактных звёзд радиусом ок. 10 км и массой порядка массы Солнца) позволило проверить справедливость формулы (1): энергия на гравитационное излучение черпается парой звёзд из статической энергии их ньютоновского притяжения. В результате звёзды сближаются и, соответственно, сокращается период обращения вокруг общего центра масс звёзд. Прецизионные измерения темпа сокращения периода обращения этих нейтронных звёзд подтвердили справедливость формулы (1) с точностью ±2% (Дж. Тейлор, Р. Халс, Нобелевская премия, 1993).

Ещё более мощным источником гравитационного излучения должны быть астрофизические катастрофы. Например, при слиянии двух нейтронных звёзд всплеск гравитационного излучения должен иметь полную энергию ок. 10^–2Mc² (где M – масса звезды), т. е. ок. 10⁴⁵ Дж. Продолжительность такого всплеска – несколько секунд, в течение которых частота Г. в. изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен герц, а амплитуда сначала плавно нарастает, достигая максимума на частоте ок. 500 Гц, а затем резко убывает. Астрофизический прогноз таких событий – одно слияние примерно 1 раз в 10⁴ лет в одной галактике. В сфере радиусом R=10²⁴ м (т. е. ок. 100 млн. световых лет) содержится в среднем 10⁵ галактик. Поэтому наземный наблюдатель может ожидать прохождение вблизи Земли одного всплеска гравитационного излучения от слияния нейтронных звёзд примерно 1 раз в месяц.

Регистрация всплеска Г. в. – одна из целей программы нескольких проектов наземных гравитационных антенн, разрабатываемых в более чем 20 лабораториях разных стран. Кроме обнаружения и изучения формы всплесков, предполагается обнаружить и другие гравитационно-волновые сигналы. Основной элемент гравитационной антенны – две пробные массы, разнесённые на значительное расстояние L. Градиент ускорений создаёт разницу ускорений одной массы относительно другой. Эта разница ускорений порождает колебания одной массы относительно другой. Амплитуда этих колебаний ΔL≈hL/2, где h – безразмерная амплитуда волны, которая может быть рассчитана из плотности потока мощности. Для приведённого выше примера всплеска излучения от слияния нейтронных звёзд, произошедшего на расстоянии 100 млн. световых лет от Земли, величина h≈10^–21.

Проект LIGO

Гравитационно-волновой детектор в Ханфорде – один из двух детекторов обсерватории LIGO.

Крупнейшим проектом по экспериментальному обнаружению Г. в. стал международный проект LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Проект предложен в 1992 учёными из Калифорнийского технологического института и Массачусетского технологического института. Международное научное сообщество LIGO включает ок. 40 научно-исследовательских институтов и ок. 600 отдельных учёных. В составе сообщества две научные группы из России – группа под руководством В. П. Митрофанова (МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва) и группа под руководством А. М. Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород). LIGO включает в себя два одинаковых детектора, расположенных в Ханфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана) и разнесённых друг от друга на 3002 км. Наличие двух установок важно по двум причинам. Во-первых, сигнал будет считаться зарегистрированным, только если его «увидят» оба детектора. Во-вторых, по разности прихода гравитационно-волнового всплеска на две установки (ок. 10 миллисекунд) можно определить направление сигнала. Основной элемент каждого детектора – Г-образная система, состоящая из двух 4-километровых плеч (L= 4 км) с высоким вакуумом внутри. Роль пробных масс играют оптические зеркала массой 20 кг, свободно подвешенные в вакууме. Эти зеркала образуют оптические резонаторы Фабри – Перо, входящие в состав высокочувствительного лазерного интерферометра.

Обсерватория LIGO вступила в строй в 2002, и вплоть до 2010 на ней прошло 6 научных сеансов наблюдений. Однако гравитационно-волновых всплесков достоверно обнаружено не было. В 2010–15 коллаборация LIGO кардинально модернизировала аппаратуру и была готова регистрировать гравитационно-волновые всплески, порождённые нейтронными звёздами, на расстоянии 60 мегапарсеков, а чёрными дырами – в сотни мегапарсеков.

11.2.2016 коллаборация LIGO объявила об экспериментальном открытии Г. в. Сигнал с амплитудой в максимуме ок. 10⁻²¹ был зарегистрирован 14.9.2015 в 9:51 по всемирному времени двумя детекторами LIGO в Ханфорде и Ливингстоне с промежутком в 7 миллисекунд. Форма сигнала совпадает с предсказанием ОТО для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 масс Солнца. Образовавшаяся в результате слияния чёрная дыра должна иметь массу в 62 массы Солнца. Расстояние до источника Г. в. составило ок. 1,3 млрд. световых лет. Энергия, излучённая в виде Г. в. за примерно 20 миллисекунд, эквивалентна 3±0,5 массам Солнца.

Проект LISA

В 2004 начались предварительные исследования по созданию космической лазерной гравитационной антенны – международный проект LISA (Laser Interferometer Space Antenna; Лазерная интерферометрическая космическая антенна). LISA – планируемый совместный эксперимент НАСА и Европейского космического агентства для регистрации и исследования Г. в. от источников с расстояний, близких к космологическим (т. е. R ≈ 3·10²⁶ м). Предполагаемый год запуска космической антенны – 2029. Измерения будут проводиться при помощи трёх космических аппаратов, расположенных в вершинах правильного треугольника. Две стороны этого треугольника длиной 1 млн. км будут образовывать плечи гигантского интерферометра Майкельсона. Измерения относительных изменений длин плеч интерферометра по сдвигу фазы лазерного луча позволят обнаружить прохождение Г. в. Предполагается осуществить этот проект в частотном диапазоне от 10^–2 до 10^–5 Гц. Цель проекта – не только детектирование Г. в., но и измерение их поляризации и направления на их источник, а в конечном итоге – построение карты неба с угловым разрешением порядка нескольких градусов путём исследования низкочастотного гравитационного излучения. В декабре 2015 был запущен спутник LISA Pathfinder для тестирования оборудования будущего проекта LISA.

Если гравитация в центре Земли равна нулю, почему там тяжелые элементы, такие как железо?

Возьмите стакан с водой и два маленьких шарика одинакового размера, железный и алюминиевый. В конце концов оба достигнут дна, но из-за плавучести утюг осядет первым.

В 1936 году у Земли было обнаружено твердое внутреннее ядро, отличное от жидкого внешнего ядра.

…..

Считается, что он состоит в основном из сплава железо-никель и имеет примерно такую ​​же температуру, что и поверхность Солнца: примерно 5700 К (5400 ° C).

….

Считается, что внутреннее ядро ​​Земли медленно растет, жидкое внешнее ядро ​​на границе с внутренним ядром охлаждается и затвердевает из-за постепенного охлаждения внутренних частей Земли (около 100 градусов Цельсия за миллиард лет). Многие ученые изначально ожидали, что, поскольку твердое внутреннее ядро ​​изначально образовалось в результате постепенного охлаждения расплавленного материала и продолжает расти в результате того же процесса, внутреннее ядро ​​окажется однородным. Было даже высказано предположение, что внутреннее ядро ​​Земли могло быть монокристаллом железа. Однако это предсказание было опровергнуто наблюдениями, указывающими на то, что на самом деле во внутреннем ядре существует определенная степень беспорядка. Сейсмологи обнаружили, что внутреннее ядро ​​не полностью однородно,но вместо этого содержит крупномасштабные структуры, так что сейсмические волны проходят через одни части внутреннего ядра быстрее, чем через другие. Кроме того, свойства поверхности внутреннего ядра меняются от места к месту на расстоянии всего 1 км. Это изменение удивительно, поскольку известно, что поперечные изменения температуры вдоль внутренней границы ядра чрезвычайно малы (этот вывод уверенно ограничивается наблюдениями магнитного поля). Недавние открытия предполагают, что само твердое внутреннее ядро ​​состоит из слоев, разделенных переходной зоной толщиной от 250 до 400 км. Если внутреннее ядро ​​разрастается за счет небольших замороженных отложений, падающих на его поверхность, то некоторая жидкость также может задерживаться в поровых пространствах, и некоторая часть этой остаточной жидкости все еще может в некоторой степени сохраняться в большей части его внутренней части.

….

Внутреннее ядро ​​Земли представляет собой шар из твердого железа размером с нашу Луну. Этот шар окружен высокодинамичным внешним ядром из жидкого железо-никелевого сплава (и некоторых других, более легких элементов), высоковязкой мантией и твердой коркой, образующей поверхность, на которой мы живем.

За миллиарды лет Земля остыла изнутри, в результате чего расплавленное железное ядро ​​частично замерзло и затвердело. Внутреннее ядро ​​впоследствии росло со скоростью около 1 мм в год, поскольку кристаллы железа замерзали и образовывали твердую массу.

Тепло, выделяемое при охлаждении ядра, течет от ядра к мантии к земной коре посредством процесса, известного как конвекция. Подобно кастрюле с водой, кипящей на плите, конвекционные потоки поднимают теплую мантию на поверхность и отправляют холодную мантию обратно в ядро. Это ускользающее тепло приводит в действие геодинамо и в сочетании с вращением Земли создает магнитное поле.

Итак, из этого мы видим, что твердое внутреннее ядро ​​медленно выросло из жидкого внешнего ядра. Именно во внешнем ядре составы различают более тяжелые элементы, выделяющиеся из жидкости в гравитационном поле, которое возникает из внутреннего ядра.

Экстраполируя наблюдения за охлаждением внутреннего ядра, можно сделать вывод, что нынешнее твердое внутреннее ядро ​​сформировалось примерно 2–4 миллиарда лет назад из того, что изначально было полностью расплавленным ядром. Если это правда, это будет означать, что твердое внутреннее ядро ​​Земли — это не изначальная особенность, которая присутствовала во время формирования планеты, а особенность моложе Земли (Земле около 4,5 миллиардов лет).

Давайте тогда посмотрим на период, когда внутреннее и внешнее ядро ​​были жидкими. Чем ближе к центру гравитационного поля, тем меньше гравитационная сила, но все же отношение объема к массе * будет играть ту же роль в жидкости, концентрируя более тяжелые частицы в центре, формируя первые зародыши ядра по мере охлаждения системы.

почему в ядре не преобладают самые тяжелые элементы (элементы тяжелее железа)?

Причина, по которой ядро ​​состоит из железа и никеля, связана с кривой энергии связи элементов.

Энергия связи на нуклон обычных изотопов

Накопление более тяжелых элементов в процессах ядерного синтеза в звездах ограничивается элементами ниже железа, поскольку синтез железа будет отнимать энергию, а не обеспечивать ее. Железо-56 широко используется в звездных процессах, и с энергией связи на нуклон 8,8 МэВ, оно является третьим наиболее прочно связанным из нуклидов. Его средняя энергия связи на нуклон превышает только 58Fe и 62Ni, причем изотоп никеля является наиболее прочно связанным из нуклидов.

Вот где слияние перестает быть энергетически выгодным. В модели Большого взрыва, где первичный суп превращается в творения путем слияния ядер, модель останавливается на вершине кривой.

Ядерный синтез тяжелых элементов происходит при взрывах сверхновых:

Элементы, расположенные выше железа в периодической таблице, не могут образовываться в обычных процессах ядерного синтеза в звездах. Вплоть до железа плавление дает энергию и, таким образом, может продолжаться. Но поскольку «группа железа» находится на пике кривой энергии связи, синтез элементов выше железа резко поглощает энергию. (Нуклид 62Ni является наиболее тесно связанным нуклидом, но его не так много, как 56Fe в ядрах звезд, поэтому астрофизические дискуссии обычно сосредоточены на железе.) На самом деле 52Fe может захватывать 4He с образованием 56Ni, но это последний шаг в цепочке захвата гелия.

Учитывая нейтронный поток в массивной звезде, более тяжелые изотопы могут быть произведены путем захвата нейтронов. …

В заключение:

Слои, содержащие тяжелые элементы, могут быть снесены взрывом сверхновой и станут сырьем для тяжелых элементов в далеких облаках водорода, которые конденсируются с образованием новых звезд.

Поскольку более тяжелые элементы встречаются гораздо реже и появляются на вторичном этапе, например, при взрыве звезды, особые условия образования нашей звезды, Солнца и планет вокруг него показывают, что Земля накопила элементы тяжелее железа. на втором уровне по отношению к исходной материи, которая слилась с ее ядром. Изобилие очень мало

самые тяжелые природные радиоактивные элементы , торий и уран, составляют 8,5 частей на миллион и 1,7 частей на миллион соответственно. Некоторые из самых редких элементов также являются самыми плотными; это металлы платиновой группы, включая осмий в количестве 50 частей на триллион, платину в количестве 400 частей на триллион и иридий в количестве 50 частей на триллион.

и не будет обнаруживаться сейсмографическими методами, изучающими внутреннее и внешнее ядро.

             -----

• объем к массе для всех элементов можно увидеть здесь

Задачи на закон всемирного тяготения

Продолжаю публикацию цикла задачек по физике и астрономии. Сегодня у меня на повестке дня задачи на закон всемирного тяготения — что интересно, так это то, что такие задачи встречаются в задачниках и по астрономии, и по физике.

Для визуализации формул я буду использовать сервис LaTeX2gif, чтобы эти формулы отображались и в RSS-ленте этого блога. В качестве источника для задач я воспользуюсь книгой «Сборник задач по астрономии», выпущенную в Москве издательством «Просвещение» в 1980 году и написанную Михаилом Михайловичем Дагаевым.

Немного теории

Те, кто достаточно хорошо знаком с физикой, может пропустить этот участок статьи, а тем, кто подзабыл её, я привожу краткое теоретическое введение.

Согласно закону всемирного тяготения, на поверхности сферического тела массой M и радиусом R гравитационное ускорение будет определяться выражением (если мы пренебрегаем ослаблением g вследствие вращения тела):

а на поверхности Земли то же ускорение будет

откуда, поделив первое равенство на второе, получим:

где M обязательно выражается в массах Земли и R — в радиусах Земли, а g′ — относительное гравитационное ускорение в сравнении с земным.

В поле тяготения небесного тела на произвольном расстоянии от него гравитационное ускорение

или, учитывая первое равенство

В этой формуле r и R могут быть выражены в любых единицах длины — главное, чтобы они обязательно были одинаковые.

Пример задачи

Условие: Найти гравитационное ускорение, сообщаемое Юпитером своему второму галилеевому спутнику Европе, находящемуся от планеты на среднем расстоянии 670,9·10³ км. Масса Юпитера в 318 раз больше земной массы, а средний радиус Земли равен 6371 км.

Дано: Обозначим данные из условия задачи:
спутник, r = 670,9·10³ км;
Юпитер, M = 318;
Земля, R₀ = 6371 км.

Решение: По формулам (***) и (**) находим искомое ускорение

где g₀ = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения на поверхности Земли.

Тогда

причем r выражено в радиусах Земли, а масса M — в массах Земли, т. е. в тех единицах измерение, что и в формуле (**).

Поскольку средний радиус Земли R₀ = 6371 км, то искомое гравитационное ускорение

Задачи

Итак, список задач для самостоятельного решения, подобных разобранной — все они на закон всемирного тяготения и для их решения достаточно теоретического минимума сверху, плюс немного памяти.

1. Определить ускорение свободного падения на поверхности планет Марса и Венеры, а также астероида Цереры. Массы и радиусы в сравнении с земными: у Марса — 0,107 и 0,533, у Венеры — 0,815 и 0,950, у Цереры — 28,9 · 10^-5 и 0,0784.

2. Масса Луны в 81,3 раза, а диаметр в 3,67 раза меньше земных. Во сколько раз вес астронавтов был меньше на Луне, чем на Земле?

3. Чему равно ускорение свободного падения на поверхности Солнца и Сатурна, радиусы которых больше земного в 109,1 и 9,08 раза, а средняя плотность в сравнении с земной составляет 0,255 и 0,127?

4. Какое ускорение свободного падения было бы на поверхности Земли и Марса, если бы при неизменной массе их диаметры увеличились вдвое и втрое? Сведения о Марсе см. в задаче 1.

5. Как изменилось бы ускорение свободного падения на поверхности планеты при увеличении ее массы в m раз, а средней плотности в n раз и, в частности, при m=n?

6. Каким стало бы ускорение свободного падения на поверхности Солнца, если бы при той же массе оно увеличилось в диаметре до размеров земной орбиты? Масса Солнца в 333 тыс. раз больше земной, а его диаметр равен 1392000 км.

7. Как изменилось бы ускорение свободного падения на Земле при неизменной массе и увеличении ее размеров в 60,3 раза, т. е. до орбиты Луны?

8. В каких пределах меняется гравитационное ускорение спутника связи «Молния-3», выведенного на орбиту 14 апреля 1975 г. и облетающего Землю в пределах высоты от 636 км до 40660 км над земной поверхностью? Принять радиус Земли равным 6370 км.

9. Найти гравитационное ускорение двух галилеевых спутников Юпитера, Ио и Каллисто, обращающихся вокруг планеты на средних расстояниях в 5,92 и 26,41 её радиуса. Масса Юпитера равна 318, а радиус — 10,9 земного.

10. Указать расположение общего центра масс Земли и Луны, приняв радиус Земли 6370 км, массу Луны равной 1/81 земной массы и расстояние между телами — 60 земным радиусам.

Ответы к задачам

Ответы к опубликованным задачам для самоконтроля.

1. 3,70, 8,86 и 0,46 м/с². 2. В 6 раз. 3. 273 и 11,3 м/с². 4. 2,45, 1,09 и 0,93, 0,41 м/с². 5. и m. 6. 0,59 см/с². 7. 0,29 см/с². 8. От 0,18 до 8,11 м/с² (в 45 раз). 9. 75 см/с² и 3,76 см/с². 10. 4660 км от центра Земли.

10 самых красивых экспериментов в истории физики

Десятки и сотни тысяч физических экспериментов было поставлено за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько «самых-самых», чтобы рассказать о них. Каков должен быть критерий отбора?

Четыре года назад в газете «The New York Times» была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов. На наш взгляд, критерий красоты ничем не уступает другим критериям. Поэтому мы расскажем об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.

1. Эксперимент Эратосфена Киренского

Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским.

Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет примерно 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров.

Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.

2. Эксперимент Галилео Галилея

В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это.

Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения.

Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова. Результаты, полученные Галилеем. — следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе.

3. Другой эксперимент Галилео Галилея

Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренный автором опыта по водяным часам. Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится. 

 Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики.

4. Эксперимент Генри Кавендиша

После того как Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: сила притяжения между двумя телами с массами Мит, удаленных друг от друга на расстояние r, равна F=G(mM/r2), оставалось определить значение гравитационной постоянной G. Для этого нужно было измерить силу притяжения между двумя телами с известными массами. Сделать это не так просто, потому что сила притяжения очень мала.

Мы ощущаем силу притяжения Земли. Но почувствовать притяжение даже очень большой оказавшейся поблизости горы невозможно, поскольку оно очень слабо. Нужен был очень тонкий и чувствительный метод. Его придумал и применил в 1798 году соотечественник Ньютона Генри Кавендиш. Он использовал крутильные весы — коромысло с двумя шариками, подвешенное на очень тонком шнурке. Кавендиш измерял смещение коромысла (поворот) при приближении к шарикам весов других шаров большей массы.

 Для увеличения чувствительности смещение определялось по световым зайчикам, отраженным от зеркал, закрепленных на шарах коромысла. В результате этого эксперимента Кавендишу удалось довольно точно определить значение гравитационной константы и впервые вычислить массу Земли.

5. Эксперимент Жана Бернара Фуко

 Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли.

6. Эксперимент Исаака Ньютона

В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой — экран.

На экране Ньютон наблюдал «радугу»: белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей — от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света. Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци.

Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный — при наименьшем. Ньютон же проделал допол¬нительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что «никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного. Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам.

7. Эксперимент Томаса Юнга

До начала XIX века преобладали представления о корпускулярной природе света. Свет считали состоящим из отдельных частиц — корпускул. Хотя явления дифракции и интерференции света наблюдал еще Ньютон («кольца Ньютона»), общепринятая точка зрения оставалась корпускулярной. Рассматривая волны на поверхности воды от двух брошенных камней, можно заметить, как, накладываясь друг на друга, волны могут интерферировать, то есть взаимогасить либо взаимоусиливать друг друга. Основываясь на этом, английский физик и врач Томас Юнг проделал в 1801 году опыты с лучом света, который проходил через два отверстия в непрозрачном экране, образуя, таким образом, два независимых источника света, аналогичных двум брошенным в воду камням. В результате он наблюдал интерференционную картину, состоящую из чередующихся темных и белых полос, которая не могла бы образоваться, если бы свет состоял из корпускул. Темные полосы соответствовали зонам, где световые волны от двух щелей гасят друг друга. Светлые полосы возникали там, где световые волны взаимоусиливались. Таким образом была доказана волновая природа света.

8. Эксперимент Клауса Йонссона

Немецкий физик Клаус Йонссон провел в 1961 году эксперимент, подобный эксперименту Томаса Юнга по интерференции света. Разница состояла в том, что вместо лучей света Йонссон использовал пучки электронов. Он получил интерференционную картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для световых волн. Это подтвердило правильность положений квантовой механики о смешанной корпускулярно-волновой природе элементарных частиц.

9. Эксперимент Роберта Милликена

Представление о том, что электрический заряд любого тела дискретен (то есть состоит из большего или меньшего набора элементарных зарядов, которые уже не подвержены дроблению), возникло еще в начале XIX века и поддерживалось такими известными физиками, как М.Фарадей и Г.Гельмгольц. В теорию был введен термин «электрон», обозначавший некую частицу — носитель элементарного электрического заряда. Этот термин, однако, был в то время чисто формальным, поскольку ни сама частица, ни связанный с ней элементарный электрический заряд не были обнаружены экспериментально.

В 1895 году К.Рентген во время экспериментов с разрядной трубкой обнаружил, что ее анод под действием летящих из катода лучей способен излучать свои, Х-лучи, или лучи Рентгена. В том же году французский физик Ж.Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, электрон оставался гипотетической частицей, поскольку не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Американский физик Роберт Милликен разработал метод, ставший классическим примером изящного физического эксперимента.

Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Освещая рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капель. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, можно было изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись. К 1909 году удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла, Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа и в 1913 году, исключив один за другим возможные источники погрешностей, опубликовал первое измеренное значение заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009)х10-10 электростатических единиц.

10. Эксперимент Эрнста Резерфорда

К началу XX века стало понятно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и какого-то положительного заряда, благодаря которому атом остается в целом нейтральным. Однако предположений о том, как выглядит эта «положительно-отрицательная» система, было слишком много, в то время как экспериментальных данных, которые позволили бы сделать выбор в пользу той или иной модели, явно недоставало.

Большинство физиков приняли модель Дж.Дж.Томсона: атом как равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 10-8см с плавающими внутри отрицательными электронами. В 1909 году Эрнст Резерфорд (ему помогали Ганс Гейгер и Эрнст Марсден) поставил эксперимент, чтобы понять действительную структуру атома. В этом эксперименте тяжелые положительно заряженные а-частицы, движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили через тонкую золотую фольгу и рассеивались на атомах золота, отклоняясь от первоначального направления движения. Чтобы определить степень отклонения, Гейгер и Марсден должны были с помощью микроскопа наблюдать вспышки на пластине сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину попадала а-частица. За два года было сосчитано около миллиона вспышек и доказано, что примерно одна частица на 8000 в результате рассеяния изменяет направление движения более чем на 90° (то есть поворачивает назад). Такого никак не могло происходить в «рыхлом» атоме Томсона. Результаты однозначно свидетельствовали в пользу так называемой планетарной модели атома — массивное крохотное ядро размерами примерно 10-13 см и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на расстоянии около 10-8 см.

 

Что такое гравитация? | Космическое пространство НАСА — Наука НАСА для детей

Гравитация — это сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Сила тяжести удерживает все планеты на орбите вокруг Солнца.

Что еще делает гравитация?

Почему вы приземляетесь на землю, когда подпрыгиваете, а не летите в космос? Почему вещи падают, когда вы их бросаете или роняете? Ответ — гравитация: невидимая сила, притягивающая объекты друг к другу.Гравитация Земли — это то, что удерживает вас на земле и заставляет все падать.

Анимация силы тяжести в действии. Альберт Эйнштейн описал гравитацию как кривую в пространстве, огибающую объект, например звезду или планету. Если рядом находится другой объект, он втягивается в кривую. Изображение предоставлено: НАСА

.

Все, что имеет массу, также обладает гравитацией. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. С увеличением расстояния гравитация также ослабевает. Итак, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их гравитационное притяжение.

Гравитация Земли определяется всей ее массой. Вся его масса создает совокупное гравитационное притяжение всей массы вашего тела. Вот что дает вам вес. А если бы вы были на планете с массой меньше Земли, вы бы весили меньше, чем здесь.

Изображение предоставлено НАСА

.

Вы действуете на Землю с той же силой гравитации, что и на вас. Но поскольку Земля намного массивнее вас, ваша сила на самом деле не влияет на нашу планету.

Гравитация в нашей Вселенной

Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и то, что удерживает Луну на орбите вокруг Земли. Гравитационное притяжение луны притягивает к себе моря, вызывая океанские приливы. Гравитация создает звезды и планеты, стягивая воедино материал, из которого они сделаны.

Гравитация воздействует не только на массу, но и на свет. Альберт Эйнштейн открыл этот принцип. Если направить фонарик вверх, свет станет незаметно более красным, поскольку сила тяжести его тянет.Вы не можете увидеть это изменение своими глазами, но ученые могут его измерить.

Черные дыры упаковывают столько массы в такой маленький объем, что их сила тяжести достаточно сильна, чтобы удержать что-либо, даже легкий, от побега.

Гравитация на Земле

Гравитация очень важна для нас. Без него мы не смогли бы жить на Земле. Гравитация Солнца удерживает Землю на орбите вокруг себя, удерживая нас на удобном расстоянии, чтобы мы могли наслаждаться солнечным светом и теплом.Он удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы должны дышать. Гравитация — это то, что скрепляет наш мир.

Однако гравитация не везде на Земле одинакова. Гравитация немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой. НАСА использует два космических аппарата для измерения этих изменений силы тяжести Земли. Эти космические корабли являются частью миссии Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE).

Миссия GRACE помогает ученым создавать карты вариаций силы тяжести на Земле.Области синего цвета имеют немного меньшую гравитацию, а области красного цвета — немного более сильные. Изображение предоставлено: НАСА / Центр космических исследований Техасского университета

GRACE обнаруживает крошечные изменения силы тяжести с течением времени. Эти изменения раскрыли важные детали нашей планеты. Например, GRACE отслеживает изменения уровня моря и может обнаруживать изменения земной коры, вызванные землетрясениями.

Сила тяжести Земли, обозначаемая буквой g, относится к ускорению, которое Земля передает объектам на ее поверхности или вблизи нее.В единицах СИ это ускорение измеряется в метрах на секунду в квадрате (в символах, м / с2) или, что эквивалентно, в ньютонах на килограмм (Н / кг). Его приблизительное значение составляет 9,81 м / с2, что означает, что, игнорируя эффекты сопротивления воздуха, скорость объекта, свободно падающего у поверхности Земли, будет увеличиваться примерно на 9,81 метра (32,2 фута) в секунду каждую секунду. Эту величину иногда неофициально называют малым g (напротив, гравитационная постоянная G обозначается как большая G).

Существует прямая связь между ускорением свободного падения и направленной вниз силой (весом), испытываемой объектами на Земле, которая определяется уравнением F = ma (сила = массовое ускорение). Однако другие факторы, такие как вращение Земли, также способствуют чистому ускорению.

Точная сила гравитации Земли варьируется в зависимости от местоположения. Номинальное «среднее» значение на поверхности Земли, известное как стандартная сила тяжести, по определению составляет 9,80665 м / с2 (около 32.1740 фут / с2). Эта величина обозначается по-разному как gn, ge (хотя иногда это означает нормальное экваториальное значение на Земле, 9,78033 м / с2), g0, gee или просто g (которое также используется для локального значения переменной).

Изменение силы тяжести и кажущейся силы тяжести

Совершенная сфера с однородной плотностью или плотность которой изменяется только в зависимости от расстояния от центра (сферическая симметрия), создала бы гравитационное поле однородной величины во всех точках на своей поверхности, всегда направленное прямо к центру сферы.Земля не является идеальной сферой, но она немного более плоская на полюсах и выпуклая на экваторе: сплюснутый сфероид. Следовательно, есть небольшие отклонения как в величине, так и в направлении силы тяжести на его поверхности. Чистая сила (или соответствующее чистое ускорение), измеренная с помощью весов и отвеса, называется «эффективной силой тяжести» или «кажущейся силой тяжести». Эффективная сила тяжести включает в себя другие факторы, влияющие на чистую силу. Эти факторы различаются и включают такие факторы, как центробежная сила на поверхности от вращения Земли и гравитационное притяжение Луны и Солнца.

Из Википедии, свободной энциклопедии

Насколько сильна сила тяжести на Земле?

Гравитация — потрясающая фундаментальная сила. Если бы на Земле не было комфортных 1 g , которые заставляют объекты падать на Землю со скоростью 9,8 м / с², мы бы все уплыли в космос. А без этого все мы, наземные виды, медленно увядали бы и умирали, так как наши мышцы дегенерировали, наши кости становились хрупкими и слабыми, а наши органы перестали функционировать должным образом.

Итак, без преувеличения можно сказать, что гравитация — это не только факт жизни здесь, на Земле, но и предпосылка к ней. Однако, поскольку люди, кажется, намереваются спуститься с этой скалы — как бы вырваться из «угрюмых оков Земли» — понимание гравитации Земли и того, что нужно, чтобы спастись, необходимо. Итак, насколько сильна гравитация Земли?

определение:

Вкратце, гравитация — это естественное явление, в котором все вещи, обладающие массой, притягиваются друг к другу, т. Е.е. астероиды, планеты, звезды, галактики, суперкластеры и т. д. Чем больше масса объекта, тем большую гравитацию он будет оказывать на объекты вокруг него. Гравитационная сила объекта также зависит от расстояния — то есть величина, которую она оказывает на объект, уменьшается с увеличением расстояния.

Впечатление художника о влиянии гравитации Земли на пространство-время. Предоставлено: NASA

. Гравитация также является одной из четырех фундаментальных сил, которые управляют всеми взаимодействиями в природе (наряду со слабым ядерным взаимодействием, сильным ядерным взаимодействием и электромагнетизмом).Из этих сил гравитация является самой слабой: она примерно в 10 ³⁸ раз слабее сильного ядерного взаимодействия, в 10 ³⁶ раз слабее электромагнитного взаимодействия и в 10 ²⁹ раз слабее слабого ядерного взаимодействия.

Как следствие, гравитация оказывает незначительное влияние на материю в мельчайших масштабах (то есть на субатомные частицы). Однако на макроскопическом уровне — уровне планет, звезд, галактик и т. Д. — гравитация является доминирующей силой, влияющей на взаимодействие материи.Он вызывает формирование, форму и траекторию астрономических тел и управляет астрономическим поведением. Он также сыграл важную роль в эволюции ранней Вселенной.

Он был ответственен за слипание материи с образованием облаков газа, которые подверглись гравитационному коллапсу, образуя первые звезды, которые затем были стянуты вместе, чтобы сформировать первые галактики. А в отдельных звездных системах это привело к слиянию пыли и газа с образованием планет. Он также управляет орбитами планет вокруг звезд, лунами вокруг планет, вращением звезд вокруг центра своей галактики и слиянием галактик.

Универсальная гравитация и теория относительности:

Поскольку энергия и масса эквивалентны, все формы энергии, включая свет, также вызывают гравитацию и находятся под ее влиянием. Это согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, которая остается лучшим средством описания поведения гравитации. Согласно этой теории, гравитация — это не сила, а следствие искривления пространства-времени, вызванного неравномерным распределением массы / энергии.

Впечатление художника от эффекта перетаскивания кадра, при котором пространство и время волочатся вокруг массивного тела.Предоставлено: einstein.stanford.edu

. Наиболее ярким примером такого искривления пространства-времени является черная дыра, из которой ничто не может сбежать. Черные дыры обычно являются продуктом сверхмассивной звезды, которая превратилась в сверхновую, оставив после себя остаток белого карлика, который имеет такую ​​большую массу, что его убегающая скорость превышает скорость света. Увеличение силы тяжести также приводит к гравитационному замедлению времени, когда течение времени происходит медленнее.

Однако для большинства приложений гравитация лучше всего объясняется законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что гравитация существует как притяжение между двумя телами.Сила этого притяжения может быть рассчитана математически, где сила притяжения прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Притяжение Земли:

На Земле гравитация придает вес физическим объектам и вызывает океанические приливы. Сила притяжения Земли является результатом массы и плотности планет — 5,97237 × 10 ²⁴ кг (1,31668 × 10 ²⁵ фунтов) и 5,514 г / см ³ соответственно.Это приводит к тому, что Земля имеет гравитационную силу 9,8 м / с² вблизи поверхности (также известную как 1 г ), которая, естественно, уменьшается по мере удаления от поверхности.

Кроме того, сила тяжести на Земле фактически изменяется в зависимости от того, где вы на ней стоите. Первая причина в том, что Земля вращается. Это означает, что сила тяжести Земли на экваторе составляет 9,789 м / с ² , а сила тяжести на полюсах составляет 9,832 м / с ² .Другими словами, из-за этой центростремительной силы вы весите на полюсах больше, чем на экваторе, но лишь немного больше.

Международная космическая станция (МКС), видна здесь из отстыкованного экипажа на фоне Земли. Предоставлено: NASA

. Наконец, сила тяжести может меняться в зависимости от того, что находится под Землей под вами. Более высокая концентрация массы, например, породы с высокой плотностью или минералов, может изменить силу тяжести, которую вы чувствуете. Но, конечно, эта сумма слишком мала, чтобы быть заметной.Миссии НАСА нанесли на карту гравитационное поле Земли с невероятной точностью, показывая вариации его силы в зависимости от местоположения.

Гравитация также уменьшается с высотой, поскольку вы находитесь дальше от центра Земли. Уменьшение силы от подъема на вершину горы довольно минимально (на 0,28% меньше силы тяжести на вершине Эвереста), но если вы достаточно высоки, чтобы добраться до Международной космической станции (МКС), вы испытаете 90% силы тяжести, которую вы чувствуете на поверхности.

Однако, поскольку станция находится в состоянии свободного падения (а также в космическом вакууме) объекты и космонавты на борту МКС могут плавать вокруг. По сути, поскольку все на борту станции падает на Землю с одинаковой скоростью, те, кто находится на борту МКС, чувствуют себя невесомыми — даже несмотря на то, что они по-прежнему весят около 90% от того, что они были бы на поверхности Земли.

Земное притяжение также является причиной того, что наша планета имеет «убегающую скорость», равную 11.186 км / с (или 6,951 миль / с). По сути, это означает, что ракете необходимо достичь этой скорости, прежде чем она сможет надеяться вырваться из-под земной гравитации и достичь космоса. И при запуске большинства ракет большая часть их тяги направляется только на решение этой задачи.

Из-за разницы между гравитацией Земли и силой тяжести на других телах — например, на Луне (1,62 м / с²; 0,1654 г ) и Марсе (3,711 м / с²; 0,376 г) — ученые не уверены, каковы будут эффекты. космонавтам, отправлявшимся в длительные миссии к этим телам.

Хотя исследования показали, что длительные полеты в условиях микрогравитации (например, на МКС) оказывают пагубное влияние на здоровье космонавтов (включая потерю плотности костей, дегенерацию мышц, повреждение органов и зрения), никаких исследований относительно последствий не проводилось. сред с меньшей гравитацией. Но, учитывая многочисленные предложения вернуться на Луну и предложенное НАСА «Путешествие на Марс», эта информация должна появиться в ближайшее время!

Как земные существа, мы, люди, благословлены и прокляты силой земного притяжения.С одной стороны, это делает выход в космос довольно сложным и дорогим. С другой стороны, это обеспечивает наше здоровье, поскольку наш вид является продуктом миллиардов лет эволюции видов, которая происходила в среде с массой 1 г и г.

Если мы когда-нибудь надеемся стать по-настоящему космическим и межпланетным существом, нам лучше понять, как мы собираемся справиться с микрогравитацией и пониженной гравитацией. В противном случае никто из нас, скорее всего, не уйдет из мира надолго!

Мы написали много статей о Земле для Вселенной сегодня.Вот откуда берется гравитация ?, Кто открыл гравитацию?, Почему Земля круглая? Почему Солнце не крадет Луну? Можем ли мы создать искусственную гравитацию? И «Потсдамский гравитационный картофель» показывает вариации гравитации Земли .

Хотите больше ресурсов на Земле? Вот ссылка на страницу НАСА «Полеты человека в космос», а здесь — «Видимая Земля» НАСА.

Мы также записали эпизод Astronomy Cast о Земле в рамках нашего тура по Солнечной системе — Эпизод 51: Земля и Эпизод 318: Скорость побега.

Источники:

Нравится:

Нравится Загрузка …

Гравитация: элементы геодезии

Представьте себе, если бы вся топография Земли, горы и долины были размыты, оставив непрерывный мировой океан полностью покоящимся без воздействия течений, погоды и приливов. Влияние гравитации Земли на этот гипотетический средний уровень мирового океана представлено геоидом. Однако, поскольку гравитация Земли не одинакова во всех местах, этот гипотетический океан не может быть идеально гладким.Сила земного притяжения и, как следствие, влияние на форму геоида, представлена ​​на этом изображении цветовыми вариациями.

Гравитация — это сила, притягивающая все объекты во Вселенной друг к другу. На Земле гравитация тянет все объекты «вниз» к центру планеты. Согласно универсальному закону тяготения сэра Исаака Ньютона, гравитационное притяжение между двумя телами сильнее, когда массы объектов больше и ближе друг к другу.Это правило применимо и к гравитационному полю Земли. Поскольку Земля вращается, а ее масса и плотность изменяются в разных местах на планете, сила тяжести также меняется.

На этой глобальной карте геоида (Geoid99) область, выделенная синим цветом около Индии, указывает на область, где земная гравитация слабее. В этой области средний уровень моря ниже, потому что гипотетический океан был отодвинут из области более низкой гравитационной силы в другие области земного шара, где гравитационные силы сильнее.

Одна из причин, по которой геодезисты измеряют вариации силы тяжести Земли, заключается в том, что сила тяжести играет важную роль в определении среднего уровня моря. Геодезисты рассчитывают высоту местоположений на поверхности Земли на основе среднего уровня моря. Таким образом, знание того, как сила тяжести меняет уровень моря, помогает геодезистам проводить более точные измерения. В общем, в тех областях планеты, где гравитационные силы сильнее, средний уровень моря будет выше. В областях, где гравитационные силы Земли слабее, средний уровень моря будет ниже.

Для измерения гравитационного поля Земли геодезисты используют инструменты в космосе и на суше. В космосе спутники собирают данные об изменениях гравитации, когда они проходят над точками на поверхности Земли. На суше устройства, называемые гравиметрами, измеряют гравитационное воздействие Земли на подвешенную массу. С этими данными геодезисты могут создавать подробные карты гравитационных полей и корректировать высоты на существующих картах. Измерения силы тяжести точно отражают изменения высоты на поверхности Земли.

Что такое гравитация и где она самая сильная в США? | Ребята из науки

Что такое гравитация и где она самая сильная в США?

январь 2003

Из четырех фундаментальных сил — гравитации, электромагнитной, сильной ядерной и слабой ядерной — гравитация наиболее знакома людям. Исааку Ньютону приписывают «открытие гравитации». На самом деле он дал нам аналитическую интерпретацию гравитации, то есть описал величины, которые определяют силу гравитации на объекте.

Согласно Ньютону, любые два объекта обладают силой притяжения, пытающейся сблизить их. Величина этой силы зависит от массы каждого объекта и расстояния между центрами двух объектов. Математически мы говорим, что сила тяжести напрямую зависит от масс объектов и обратно пропорционально расстоянию между объектами в квадрате. [F = G M1 M2 / D2] G в соотношении — это константа, которая называется универсальной гравитационной постоянной.

Для повседневных предметов, таких как люди, автомобили, шары и самолеты, сила тяжести между любыми двумя из этих объектов настолько мала, что несущественна.Однако, когда один из объектов очень массивен, например, Земля, сила тяжести становится значительной. На самом деле ваш вес — это просто сила тяжести между массой вашего тела и массой Земли. Мы чувствуем, как Земля притягивает нас с силой, которую мы называем гравитацией.

«Сила тяжести» часто выражается в единицах ускорения, которое сила тяжести придает объекту, когда объект падает. Это ускорение свободного падения записывается в виде маленького g и используется для описания силы тяжести в разных местах на Земле, а также на других планетах.

В общем, чем ближе центры двух объектов, тем больше становится сила тяжести. Следовательно, можно ожидать, что гравитация в Соединенных Штатах будет сильнее там, где вы ближе всего к центру Земли. Самая низкая точка в США — это Долина Смерти, поэтому можно ожидать, что гравитация там (где вы ближе всего к центру Земли) будет сильнее. Однако Земля не является однородным материалом по всей своей внутренней части, и сила тяжести зависит от того, какая именно масса находится между вами и центром Земли.

Таким образом, когда вы перемещаетесь по США, ускорение свободного падения (g) варьируется от 9,79 до 9,81 метра в секунду в квадрате. Среднее значение Земли составляет 9,80 м / с2 (32 фут / с2), что обычно обозначается как ускорение свободного падения на Земле. Это означает, что упавший объект будет увеличивать скорость 32 фута / с каждую секунду при отсутствии сопротивления воздуха. Для сравнения, ускорение свободного падения на Луне составляет всего 1,63 м / с2 из-за ее состава и меньших размеров.

Объяснение гравитации Ньютоном подходит для повседневной жизни.Однако, чтобы понять самые сложные детали гравитации, нужно включить гравитационную теорию Эйнштейна, которая математически сложна.

Что такое гравитация? | Космос

Из фундаментальных сил Вселенной только одна доминирует в каждый момент нашего сознательного опыта: гравитация. Он удерживает нас близко к земле, вытаскивает бейсбольные и баскетбольные мячи из воздуха и дает нашим мышцам то, с чем нужно бороться. С космической точки зрения гравитация имеет такое же значение. От сжатия водородных облаков в звезды до склеивания галактик воедино гравитация представляет собой одного из немногих факторов, определяющих общие черты эволюции Вселенной.

В некотором смысле история гравитации — это также история физики, причем некоторые из величайших имен в этой области получили известность, определив силу, которая управляла их жизнями. Но даже после более чем 400 лет изучения загадочная сила по-прежнему лежит в основе некоторых из величайших загадок дисциплины.

Гравитация как универсальная сила

Сегодня ученых знают о четырех силах — вещах, которые притягивают (или отталкивают) один объект к (или от) к другому. Сильная сила , и слабая сила, действуют только внутри центров атомов.Электромагнитная сила управляет объектами с избыточным зарядом (такими как электроны, протоны и носки, шаркая по пушистому ковру), а гравитация управляет объектами с массой.

Первые три силы в значительной степени ускользнули от внимания человечества до недавних столетий, но люди давно размышляли о гравитации, которая действует на все, от капель дождя до ядер. Древние греки и индийские философы заметили, что объекты естественным образом движутся к земле, но потребуется вспышка озарения от Исаака Ньютона , чтобы поднять гравитацию от непостижимой тенденции объектов к измеримому и предсказуемому явлению.

Скачок Ньютона, о котором стало известно в его трактате 1687 года Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , заключался в том, чтобы осознать, что каждый объект во Вселенной — от песчинки до самых больших звезд — притягивает все остальные объекты. Это понятие объединило события, которые казались совершенно не связанными, от падения яблок на Землю (хотя это, вероятно, не вдохновило его на открытие, Ньютон действительно работал рядом с яблоней ) до планет, вращающихся вокруг Солнца. Он также подсчитал притяжение цифрами: удвоение массы одного объекта делает его притяжение вдвое сильнее, определил он, а приближение двух объектов вдвое ближе к четырехкратному увеличению их взаимного притяжения.Ньютон заключил эти идеи в свой универсальный закон всемирного тяготения.

Гравитация как геометрия пространства

Описание гравитации Ньютоном было достаточно точным, чтобы обнаружить существование Нептуна в середине 1800-х годов, прежде чем кто-либо мог его увидеть, но закон Ньютона не идеален. В 1800-х годах астрономы заметили , что эллипс, начертанный на орбите Меркурия , движется вокруг Солнца быстрее, чем предсказывала теория Ньютона, что предполагает небольшое несоответствие между его законом и законами природы.В конечном итоге загадка была разрешена общей теорией относительности Альберта Эйнштейна , опубликованной в 1915 году.

До того, как Эйнштейн опубликовал свою новаторскую теорию , физики знали, как рассчитать гравитационное притяжение планеты, но их понимание того, почему гравитация ведет себя в такой степени, Путь мало продвинулся дальше пути древних философов. Эти ученые понимали, что все объекты притягивают все другие с мгновенной и бесконечно далеко идущей силой, как постулировал Ньютон, и многие физики эйнштейновской эпохи были довольны тем, что оставили все как есть.Но, работая над своей специальной теорией относительности, Эйнштейн определил, что ничто не может перемещаться мгновенно, и сила тяжести не должна быть исключением.

На протяжении веков физики рассматривали космос как пустой каркас, на котором разыгрывались события . Он был абсолютным, неизменным и не существовал — ни в каком физическом смысле — на самом деле. Общая теория относительности способствовала превращению пространства, а также времени из статического фона в субстанцию, напоминающую воздух в комнате. Эйнштейн считал, что пространство и время вместе составляют ткань Вселенной, и что этот «пространственно-временной» материал может растягиваться, сжиматься, скручиваться и поворачиваться, таща за собой все, что есть в нем.

Художественная концепция гравитации, изгибающей ткань пространства-времени вокруг Земли и Солнца. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Эйнштейн предположил, что форма пространства-времени — это то, что порождает силу, которую мы воспринимаем как гравитацию. Концентрация массы (или энергии), такой как Земля или Солнце, искривляет пространство вокруг себя, как скала искривляет течение реки. Когда другие объекты движутся поблизости, они следуют изгибу пространства, как лист может следовать за водоворотом вокруг камня (хотя эта метафора не идеальна, потому что, по крайней мере, в случае планет, вращающихся вокруг Солнца, пространство-время не «течет» «).Мы видим, как планеты вращаются по орбите, а яблоки падают, потому что они следуют путями через искаженную форму Вселенной. В повседневных ситуациях эти траектории соответствуют силе, предсказанной законом Ньютона.

Полевые уравнения общей теории относительности Эйнштейна, набор формул, иллюстрирующих, как материя и энергия искажают пространство-время, получили признание, когда они успешно предсказали изменения на орбите Меркурия, а также искривление звездного света вокруг Солнца во время солнечного затмения 1919 года.[ На фотографиях: эксперимент Эйнштейна 1919 года по солнечному затмению проверяет общую теорию относительности ]

Современное описание гравитации настолько точно предсказывает взаимодействие масс, что стало путеводителем для космических открытий.

Американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд заметили в 1960-х годах, что галактики вращаются достаточно быстро, чтобы вращать звезды, как собака стряхивает капли воды. Но поскольку галактики, которые они изучали, не расходились, казалось, что-то помогало им держаться вместе.Тщательные наблюдения Рубина и Форда предоставили убедительные доказательства, подтверждающие более раннюю теорию швейцарского астронома Фрица Цвикки, предложенную в 1930-х годах, о том, что некое невидимое разнообразие масс ускоряет галактики в соседнем скоплении. Большинство физиков теперь подозревают, что эта загадочная « темная материя » искажает пространство-время настолько, чтобы не повредить галактики и скопления галактик. Другие, однако, задаются вопросом, может ли сама гравитация действовать сильнее в масштабах всей галактики, и в этом случае потребуется корректировка как уравнений Ньютона, так и уравнений Эйнштейна.

Изменения в общей теории относительности должны быть действительно деликатными, поскольку недавно исследователи начали обнаруживать одно из самых тонких предсказаний теории: существование гравитационных волн или ряби в пространстве-времени, вызванных ускорением масс в пространстве. С 2016 года исследовательское сотрудничество, работающее с тремя детекторами в Соединенных Штатах и ​​Европе, измерило несколько гравитационных волн, проходящих через Землю. На подходе новые детекторы , открывая новую эру астрономии , в которой исследователи изучают далекие черные дыры и нейтронные звезды — не по испускаемому ими свету, а по тому, как они сотрясают ткань космоса при столкновении.

Тем не менее, череда экспериментальных успехов общей теории относительности затушевывает то, что многие физики считают фатальной теоретической ошибкой: она описывает классическое пространство-время, но вселенная в конечном итоге кажется квантовой или состоящей из частиц (или «квантов»), таких как кварки. и электроны.

Классическое представление о пространстве (и гравитации) как о единой гладкой ткани вступает в противоречие с квантовой картиной Вселенной как набора острых маленьких кусочков. Как расширить действующую Стандартную модель физики элементарных частиц , которая охватывает все известные частицы, а также три другие фундаментальные силы (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие), чтобы покрыть пространство и гравитацию на уровне частиц, остается одним из самых глубоких загадок современной физики.

Дополнительные ресурсы:

Документ без названия

Сила тяжести

Обычно называют гравитацией, важно поощрять использование правильного термина, гравитационная сила. В отчете исследования SPACE Силы (Рассел и др., 1998) четко определяют этапы развития детей. понимание гравитационной силы и связанных с ней явлений. Это дает полезную основу для рассмотрения и разработки собственных идеи.

Сила гравитации удерживает предметы на земле и останавливает их уплывает

На простейшем уровне это утверждение описывает наиболее очевидные явление, связанное с силой тяжести. Фильм космонавтов в невесомости или ситуации с низкой гравитацией ясно показывают, что происходит, когда сила тяжести не тянет с той силой, которая нам знакома

Сила тяжести — это свойство Земли и, следовательно, притяжение снизу

Тяга силы тяжести направлена ​​к центру Земли

В обоих случаях слово «тянуть» важно, так как оно начинает увести детей от распространенного заблуждения о том, что сила тяжести действует как клей.

Второе утверждение явно основано на первом и проиллюстрировано детским рисунком Земли в разрезе со стрелками, указывающими направление действия гравитационной силы, которое украшает недавний Национальный Цели учебной программы (стр. 22). Восприятие нашим обществом географических Север над географическим югом приносит пользу как детям, так и взрослым. неспособность избавиться от интуитивного представления о том, что жители Австралии должны отвалится!

Величина силы тяжести зависит от массы объект, притягиваемый Землей

Размер этой силы равен весу объекта

Эти связанные утверждения являются корнем большей части трудностей. что люди связывают с пониманием силы тяжести.Дети и взрослым, столкнувшимся с этим утверждением, трудно понять, как гравитационная сила Земли знает, что она должна тянуть большую массу с большая сила, чем меньшая масса.

Чтобы прояснить это, возьмите простую модель частиц. материя, которая визуализирует, что все объекты состоят из единиц разного количества массы (т.е. каждая единица массы одинакова). Логично, что гравитационный сила будет притягивать каждую единицу массы с одинаковой степенью силы.Следует что объект, состоящий из двух единиц массы, будет тянуться вдвое сильнее, чем объект состоит только из одной единицы массы.

Та же модель помогает преодолеть трудности понимания почему, если это так, объекты разной массы ускоряются в направлении Земля с такой же скоростью (при условии, что эффекты сопротивления воздуха не учитываются). Этот противоречит широко распространенному заблуждению о том, что тяжелые предметы падают быстрее легких (даже во время экспериментов, роняющих такие предметы, как испорченные бумажные шарики и стальные килограммовые массы доказывают обратное).Гравитационный сила тянет на каждую единицу массы с постоянной силой, что приводит к постоянному ускорение (увеличение скорости примерно на 10 метров в секунду каждую секунду). Независимо от того, притягивает ли он одну единицу массы или тысячу единиц массы, это постоянство ускорения остается прежним.

[Эти две идеи о больших гравитационных силах на больших массах объекты и постоянство ускорения из-за притяжения силы тяжести независимо от массы запутались, конечно, из-за воздействия сопротивление воздуха падающим предметам.Об этом пойдет речь в разделе, посвященном трение и сопротивление воздуха.]

Понятие единицы массы как постоянной величины независимо от силы тяжести действует или нет, также помогает нам различать массу и вес. Объекты масса определяется количеством составляющих ее единиц массы. Его вес определяется степенью действия на него гравитационной силы. На земле объект массой 100 грамм притягивается к центру планеты с силой 1 Ньютон.Говорят, что это вес объекта (т. Е. нисходящая сила, которую он оказывает, потому что на него действует гравитационная сила). В пространство, где есть незначительная гравитация, сила, действующая на объект, практически nil, поэтому объект, сохраняя при этом свою массу 100 грамм, теперь невесомый.

Сила тяжести на Луне меньше, чем на Земле

Луна — объект меньше Земли и меньшей массы.Как следствие, его гравитационное поле тянет только с силой около пятая часть земного. Объект массой 100 грамм и весом 1 Ньютон. на Земле будет весить всего 0,2 Ньютона на Луне (примечание: масса остается неизменной. на 100 грамм).

Величина силы тяжести определяется массой объекта и масса Земли или Луны

Между любыми двумя объектами существует сила тяжести

Дети и взрослые признают, что невидимое гравитационные силы, которые они испытывают, связаны с невообразимо большие массы планет и других небесных тел.Мысль о том, что маленькие массовые такие объекты, как они сами, также проявляют гравитационную силу, тоже часто являются ступенькой далеко в плане доверчивости! Однако принимая, что это последнее утверждение верно, тогда гравитационная сила между двумя объектами является суммой обоих.

Величина этой гравитационной силы зависит не только от от их массы, но и расстояния между этими объектами

Хотя это утверждение идет вверх по порядку прогрессии связаны с пониманием гравитационных сил, для многих детей и взрослым это более очевидно, чем некоторые другие идеи, с которыми нужно справляться с участием.Казалось бы, влияние силы будет меньше, чем дальше он действовал, это можно просто продемонстрировать с помощью магнитного силы например. Единственная проблема с упоминанием магнетизма в контексте гравитационной силы заключается в том, что она не рассматривается как просто аналог, дети могут думать о магнетизме как о и как о гравитации.

.