Гравитацията е едно от най-мистериозните физически явления. За нито едно друго явление не е говорено, писано, защитени дисертации, академични титли или присъдени Нобелови награди като гравитацията.

Всякакви идеи са исторически обусловени. Времето променя задачите, пред които е изправено обществото, и това, като правило, принуждава идеите за определени явления да се променят. Феноменът на гравитацията не е изключение. Идеята за гравитацията сред строителите на египетските пирамиди и сред пътниците в космоса не може да не се различава.

2. Нютоново разбиране за гравитацията

В гравитационната теория на Нютон гравитацията е почти изцяло свързана със силата на гравитацията или силата на тежестта. Същността на гравитацията според Нютон е, че върху тялото се прилага сила - гравитация (в земни условия обикновено се нарича сила на тежестта). Източникът на тази сила - други или други органи. Всъщност гравитационно поле няма. Гравитацията е пряко взаимодействие между телата. Това взаимодействие се определя от Закона за гравитацията на Нютон. Няма специално гравитационно пространство. Гравитационното поле е условно по природа и служи само за удобство на изчисленията, зад това понятие не стои физика.

В земни условия, например, при изчисляване на статични структурни натоварвания, това е удобно и визуално представяне.

3.Гравитационни явления в съвременния свят

Съвременният свят е излязъл далеч отвъд обхвата на явленията, в които са се формирали нютоновите гравитационни концепции. Още в началото на миналия век Алберт Айнщайн обърна внимание на факта, че дори явленията в обикновения асансьор не се съгласуват добре с идеите на Нютон. Това, както и една релативистка мода, го доведоха до ново разбиране за гравитацията, отразено в така наречената Обща теория на относителността.

Сега е общоприето, че GTR е гравитационна теория за космологични мащаби и релативистични движения. Но в мащаба на макро- и мезосвета, т.е. в областта на земната, планетарната (небесната) механика и астронавтиката общата теория на относителността няма смисъл да се използва и тази теория не може да даде нищо ново. И ако има, това са само корекции в някои много високи приближения. Затова ще се съсредоточим върху по-подробно разглеждане на гравитационните концепции на Нютон.

Едно от основните явления, което се превърна във фокуса на разглеждане на механиката през последните десетилетия, е феноменът на безтегловността. Разбира се, явлението безтегловност се е случвало и преди. Но това беше краткотрайно и не беше разпознато като някакъв специален механичен феномен. Камък пада от наклонената кула в Пиза и, добре, пада. Каква безтегловност има тук. Но развитието на космонавтиката изведе феномена на безтегловността на преден план и неговото голямо значение беше осъзнато. Безтегловността постепенно навлиза в категорията на производствено-технологичните фактори.

Но обръщайки се към механичните концепции на Нютон, внезапно откриваме, че тази концепция в механиката на Нютон всъщност не съществува. Според концепциите на Нютон силата на гравитацията е свързана с гравитацията. Но изведнъж се оказа, че това изобщо не е така. Нека го покажем.

Нека си представим парашутист в самолет, преди да се хвърли в небето. Той стои пред вратата и е в гравитационно поле, върху него действа силата на тежестта. Това се изчислява според Нютон. Но сега той прави крачка през вратата. Ясно е, че гравитационното поле не се е променило. И силата на тежестта също не можеше да се промени. Но парашутистът изпадна в безтегловно състояние и загуби теглото си, а силата на гравитацията внезапно изчезна. Но гравитационното поле не е изчезнало, то си остава същото, каквото е било. Следователно е очевидно, че теглото вътре в самолета не е свързано с гравитацията.

Понякога казват, че силата на тежестта изобщо не е изчезнала, но се е появила (фиктивна) сила на инерция, която балансира силата на гравитацията, тъй като парашутистът започва да се движи по-бързо. Ето защо самият парашутист не усеща никаква тежест.

Точно така, в референтната рамка на например съдийска група, разположена на земята, парашутистът се движи с ускорена скорост. Но нека си представим, че заедно с парашутиста изскача фоторепортер, който заснема полета и действията на парашутиста. И по отношение на този фотограф парашутистът може да се движи нагоре, надолу или да стои неподвижно. И къде тогава е прословутата сила на инерцията, свързана с ускореното движение на парашутиста? Как може една реална сила, която се предполага, че е силата на гравитацията, да бъде балансирана от фиктивна сила на инерция, свързана с ускорението, ако ускорението може да има много различен характер в зависимост от наблюдателя или да отсъства напълно? Ако приемем, че земната съдебна референтна система е по-„правилна“ от референтната система на фоторепортера, тогава е необходимо да се докаже, че камерите на съдията, часовниците или далекомерите на съдията са по-добри от тези на фотографа.

Тъй като това е невъзможно да се докаже, трябва да признаем, че силите на инерцията са измислица, а следователно и силите на гравитацията, силите на тежестта и въобще всички гравитационни сили са измислица, те просто не съществуват.. А парашутистът в Безплатнопадането се движи точно Безплатно, т.е. без влиянието на каквито и да било сили върху него (пренебрегваме влиянието на атмосферата).

Тогава какво се случи с парашутиста, когато прекрачи борда на самолета? И той изобщо не е такъв зареденсебе си като мистериозна фиктивна сила на инерция, балансираща силата на гравитацията. Не, напротив, той се освободи от единствената реална сила, която му действа. Тази сила идваше от опората, от пода на самолета. И когато се освободи от него, като направи крачка извън самолета, той стана безтегловен, стана Безплатно, всякакви сили спряха да действат върху него.

Следователно няма гравитационни сили. Има сили, действащи върху човек, върху камък на земята, върху космонавт по време на активната част на полета от страната на опората. Ако премахнете опората, човекът или камъкът стават свободни, безтегловни. Но силите, които действат от страната на опората върху човек или камък, не са гравитационни. Това са обикновени еластични сили от електрическо или по-общо електромагнитно естество. А човешкото тяло (подметка) или камък от своя страна има еластичност и ще възникне противодействие, насочено от подметките или камъка към опората. И тази сила също има електромагнитна природа. Къде са гравитационните сили? Ние не ги виждаме. Няма нито един от тях.

Ето централното, основно, фундаментално твърдение, което следва от космическия опит на човечеството: няма гравитационни сили. Нека запишем това с най-големите букви и да започнем да създаваме нова механика, механика на космическата ера, върху тази основа.

4. Природата на гравитацията в светлината на опита и представите на космонавтиката

Но ако няма гравитационни сили, няма гравитация, тогава няма гравитация? Не, това не е вярно. Гравитацията, разбира се, съществува...

Но природата му е съвсем различна. Това изобщо не е силово взаимодействие между телата. Няма силово взаимодействие между Слънцето и Земята, между Земята и Луната, между Земята и космически кораб, между Земята и камък на нейната повърхност.

Гравитацията е свойство. Това свойство се състои в промяна на природата на пространството около гравитиращото тяло. Всяко тяло е заобиколено от определен ореол, ореол на променено пространство. Тялото носи този ореол със себе си като ореол около главата на светец или атмосферата, йоносферата, магнитосферата около Земята и този ореол не може да се откъсне от тялото при „самостоятелно плуване“. Той е вързан завинаги за тялото и се движи с него.

Тук веднага можем да сравним свойствата на този ореол със свойствата на електромагнитното поле. Електромагнетизмът има два заряда, положителен и отрицателен. Да приемем, че имаме електрически неутрален атом или молекула. Тогава няма електрическо поле, няма електромагнитен ореол. Но внезапно от него излетя положително или отрицателно заредена частица. Превърнал се е в йон, в електрически заредено тяло и около него трябва да се появи съответен ореол - електрическо поле. Нямаше го, но сега трябваше да бъде. И тук възниква въпросът с каква скорост ще се разпространи в пространството това произтичащо от несъществуването поле? Ясно е, че полето не може да се установи моментално в цялото пространство. Той ще се разпространи от атома, движейки се все по-далеч. Виждаме, че електромагнитното поле е с малък обсег, то по принцип може да се откъсне от източниците на полето и има определена скорост на разпространение. И това се дължи единствено на съществуването на два вида електрически заряди. По-точно с промяна на диполния момент, за който няма закон за запазване. Електромагнитното поле има свързанискоростта на разпространение, свързана с движението на източници на поле, заредени тела, например по време на движение на електрически заряд или магнит, и автономенскорост на разпространение, несвързана с движението на материалните тела, която е универсална константа - скоростта на светлината.

За разлика от електромагнетизма, гравитацията е свързана с източници със същия знак. Този гравитационен източник, гравитационен заряд, се нарича маса. Той винаги е положителен и за него има закон за запазване... Нещо повече, дори за диполния момент на масата има закон за запазване - това всъщност е законът за запазване на центъра на масата. Следователно гравитационно поле не може да възникне от никъде. Поради движението на масите, той може по някакъв начин да се деформира и колкото по-далече е точката на наблюдение на гравитационното поле от тези маси, толкова повече време е необходимо, за да бъде открит ефектът от промяна в полето. И на достатъчно разстояние от ограничена система от маси, като цяло може да се разглежда като единична неразделена точкова маса; вътрешните движения на достатъчно разстояние не могат да променят точковата природа на това поле. А на още по-голямо разстояние гравитационното поле изчезва напълно и ние не можем да го открием по никакъв начин. Нека формално изчислим величината на гравитационното поле на Земята в друга галактика. Но е очевидно, че това е чисто теоретичен артефакт. Това пряко следва от липсата на нотор гравитационни вълни, т.е. отделени от източниците на гравитационни полета. Няма гравитационни полета без източници. В електромагнетизма излъчваната електромагнитна вълна губи всякаква връзка с източника и има електромагнитно поле без източник. И това е основната разлика между електромагнитното поле. Може да работи на всяко разстояние. Така в нашите оптични и радиотелескопи се приемат и действат върху приемниците електромагнитни полета, чийто източник се намира на невъобразимо разстояние, на милиони и милиарди светлинни години. Електромагнитно поле - то е поле с неограничен обхват на действие, за разлика от пространствено ограниченото гравитационно поле.

Имайте предвид също, че съществуването на гравитационни вълни прави принципа на Галилей и самото съществуване на инерциални референтни системи под въпрос, а това вече води до катастрофални последици за цялата теоретична механика.

5.Гравитационни свойства на пространството

Нека дефинираме понятието Безплатнотела. Свободно тяло ще наричаме тяло, към което не са приложени никакви сили. Под сили, напомняме ви и ще ви напомняме още многократно, разбираме само влиянията от електромагнитно естество. Ядрените и други микро-нано-фемто сили едва ли си заслужават вниманието. И ще наричаме тела, върху които действат сили (сили на еластичност, реактивни сили и други сили от електромагнитно естество) несвободен.

Нека дефинираме понятието инерционенреферентни системи. Инерциална отправна система е отправна система, в която свободните тела се движат равномерно и праволинейно или са в покой. Ще наречем други референтни системи неинерционни. Имайте предвид, че ако имаме инерционна отправна система, тогава можем да въведем произволен брой различни неинерциални отправни системи, например въртящи се, осцилиращи и т.н.

Нека сега дефинираме понятието Галилеевпространство. Галилеево ще наричаме пространство, в което може да се въведе инерциална отправна система. Не във всяко пространство е възможно да се въведе инерционна референтна система. Ако е невъзможно да се въведе инерционна референтна рамка в пространството, тогава ще се нарече такова пространство негалилейски.

И сега сме готови да формулираме гравитационното свойство. Гравитационното свойство е, че в близост до тялото има област на не-Галилея.В тази област е невъзможно да се въведе такава референтна система, че свободните тела в нея да се движат равномерно и праволинейно или да са в покой.

Движенията на свободните тела ще наричаме естествени движения. Там, където няма гравитация, има естествени движения могаимат прав и равномерен вид. И гравитацията води до факта, че естествените движения не могаимат равномерен и прав вид. В гравитационното пространство естествените движения са много по-сложни. Това могат да бъдат движения по окръжности, елипси, параболи, хиперболи и дори по-сложни и сложни траектории. Най-сложните траектории на междупланетни космически кораби в свободен полет ясно показват това. Защо е така - Не знаем, не градим хипотези, но го приемаме като дадената ни реалност.

И така, сега можем да отговорим на всички въпроси, поставени по-горе, в светлината на космическия опит.

1.Защо астронавт е в състояние на безтегловност в орбитален космически кораб? Отговор: не защото по някакъв чудотворен начин гравитационните сили са балансирани с митичните инерционни сили. И по простата причина, че е свободен, не му действат никаква сила.

2. Защо, ако е свободен, се движи не по права линия, а по кръг? Отговор: защото е в гравитационно поле, в не-Галилеевия регион на Земята, в който движението на свободните тела е по-сложно, включително кръговото движение.

3.Защо Земята се движи в кръг? Отговор: Земята е свободно тяло. Върху него не действат никакви сили. Но се намира в не-Галилеевия регион (в гравитационното поле) на Слънцето. А свободното движение на Земята е естествено движение - движение в кръг.

4.Какви сили действат върху камък на повърхността на Земята? Едно от естествените движения на камъка в близост до Земята е ускорено падане в центъра му. Но повърхността на Земята предотвратява това естествено движение, като прилага към камъка сила, насочена нагоре, противоположна на посоката на естественото движение на камъка. Тази сила не е гравитационна, а обикновена еластична сила, т.е. електромагнитна природа. Естествено, според третия закон на Нютон, камъкът действа върху опората си със същата сила, но надолу. Ако изведнъж опората изчезне или загуби своята твърдост, камъкът ще започне естествено движение надолу, към центъра на Земята.

Имайте предвид, че обикновено силата е насочена от камъка към опората - земно притегляне - се счита за активна сила, а силата от опората към камъка - сила на реакция. Според нас понятията активна сила и противодействаща сила са разменили местата си. Силата от опората към тялото стана активна, силата на реакцията - сила от тялото към опората. Това е по-съвместимо с механичната логика. Активната е сила, която може да се контролира, а пасивната е сила на реакция. - това е сила, която възниква в отговор, автоматично. Можем лесно да контролираме поддържащите сили. Подпората може да се сваля, да се прави по-твърда, по-мека и т.н. И силата от камъка към опората възниква автоматично. Например, когато камък лежи на дланта, това е опората, която можем да манипулираме - държа камък, хвърлям го и т.н. И ефектите от камъка върху дланта ще бъдат вторични, реципрочни. Активна роля играе дланта, а не камъкът.

6. Локално галилеево свойство на не-галилеево пространство

Гравитационното поле има уникално свойство, което го отличава рязко от електромагнитното поле. Най-изненадващото е, че това свойство все още не е теоретично усвоено от съвременната теоретична механика, въпреки че на практика се използва много широко, особено в космонавтиката.

Ако има електромагнитно поле, значи то съществува и никакви трансформации на референтни системи не могат да го премахнат. Неговите компоненти, електрически или магнитни, могат да се трансформират един в друг, но в регион на пространството, изпълнен с електромагнитно поле, той присъства във всяка точка и във всяка референтна система, за всеки наблюдател. Има инвариант.

Но имаме нещо съвсем различно в гравитационното поле. Оказва се, че гравитационното поле, т.е. областта на не-галилеевото пространство е едновременно локално галилеева във всяка точка. С други думи, възможно е да се изключи гравитационното поле във всяка точка и дори в цялата околност. Това следва от основния закон на гравитацията: в близост до всяко свободно тяло има галилеев регион. Този регион може да бъде голям, глобален, ако свободното тяло е в Галилеевото пространство, или локален, ограничен, ако самото тяло е в не-Галилеевото, гравитационно пространство.

Така стигаме до най-важното свойство на гравитационното поле: гравитационното поле не е абсолютно, а относително. Във всяка точка на гравитационното поле може да се въведе референтна система, в близост до която тя не съществува.

Досега този най-важен централен момент на гравитацията не е формулиран в механичната теория. Но на практика се използва много широко. Например, въпреки че Земята се намира в не-Галилеева област на Слънцето, тъй като тя е свободно тяло, в непосредствена близост до нея има Галилеева област, в която влиянието на Слънцето може да бъде пренебрегнато. И ако Земята има собствено гравитационно поле, тогава в тази близост то се наслагва не върху полето на Слънцето, а върху галилеевото безгравитационно пространство и можем да изчислим всички движения в тази близост, сякаш самата Земя е в Галилеевото пространство, а Слънцето изобщо не съществува. Луната е в не-Галилеевия регион на Слънцето и Земята, но в близост до Луната можем да вземем предвид само полето на Луната. Космическият кораб в орбита е в не-Галилеевия регион на Слънцето, Земята и Луната. Но с неговото свободно орбитално движение вътре в самата станция, можем да считаме пространството за Галилей (собственото гравитационно поле на масата на станцията е незначително) и в него можем да въведем инерциална отправна система, в която принципът на Галилей е изпълнен. Освен това, това се отнася не само за вътрешното пространство на станцията, но и за нейната непосредствена външна среда. Това ви позволява да използвате механиката на инерционните референтни системи, когато се скачвате с друг кораб на близки разстояния и дори да не вземете предвид самото съществуване на Земята и нейното гравитационно поле. Това значително опростява изчисленията на движенията и контролите. В същото време, докато се отдалечаваме от станцията, не-галилеевските характеристики на околното пространство стават все по-значими, дължащи се само на локалната му галилейност. Следователно при докинг на „далечни граници“ трябва да се вземе предвид гравитационното поле на Земята, но полето на Слънцето и Луната може да се игнорира. За съжаление, съществуващата механика не предоставя инструменти за отчитане на гравитационното поле на Земята в референтната рамка на космическия кораб и калкулаторите трябва да преминат към референтната рамка на Земята, което, разбира се, не е удобно.

И така, ние виждаме колко важно е практическото значение на принципа за локална галилейност на не-галилейското пространство. А механична теория, в която този принцип не важи, не може да се счита за подходяща за използване в космонавтиката. Но в Нютоновата механика този принцип не съществува. В тази механика гравитационното поле се разглежда само глобално, като правило, в една специална „Коперникова“ референтна система - референтна система център на масата. Нарекохме тази референтна система Коперник, тъй като честта да открие „главните“ избрани референтни системи по право принадлежи на Коперник. Но астронавтиката изисква отклонение от парадигмата на Коперник и такова отклонение се случва постоянно в изчисленията за космическа навигация. Използването на локални референтни системи е отхвърляне на парадигмата на глобализма на Коперник при описанието на гравитационните полета. Ето защо новата механика може да се нарече ненютонова и некоперникова или, може би по-правилно, неооптолемеева.

Нека отново да отбележим, че в механиката, свързана с механичните явления на повърхността на Земята, Нютоновият подход е доста удобен и ефективен, което показва цялото развитие на механиката през вековете. Но в астронавтиката този подход създава големи трудности, които обсъдихме по-горе. И новият подход максимално разкрива логиката на механичните процеси в космоса, отваря възможността за по-просто решение на известни проблеми и формулирането на нови.

7. Теглото като фундаментално понятие на механиката

Ние показахме, че в много проблеми на механиката, по-специално в проблемите на небесната механика, силите изчезват. В крайна сметка небесната механика разглежда предимно свободните небесни тела, т.е. тела, върху които не се прилагат сили.

Както е известно, в Нютоновата механика понятието сила е основно, основно понятие. В механиката дори не е дефиниран, а е взет от други науки, например физиката. Както понятието разстояние не е дефинирано в механиката, то е основно за нея и е взето от геометрията.

Ясно е, че е желателно да се използват най-важните и широко използвани характеристики като фундаментални понятия в аксиоматичното изграждане на една теория. Но парадоксът е, че в различни мащабни области на механичния свят различни характеристики стават такива.

Например, Нютоновата механика е най-подходяща за описание на явленията на макромеханиката, т.е. механични явления в мащаб, сравним с размера на човек. И тук силата е изключително важно понятие и използването му като основно понятие е напълно оправдано. Наистина, от напрежението във вените ясно виждаме силата на кон, който тегли каруца с дърва за огрев, виждаме силата на опън на лък и лесно можем да си представим силата върху носача на парна машина. Накрая по напрежението на мускулите и интензивното дишане виждаме силата на тежестта на дънера, който вдигаме.

Но вече в микросвета силите стават трудни за представяне. И други механични характеристики, като енергия и действие, са на първо място. И съответно възникват нови механични модели, теории, известни под общото наименование „аналитична динамика”. Това са механиките на Лагранж, Хамилтън, Поанкаре и др. Всъщност това са различни „езици“ на механиката, на които е удобно да се опише техният клас и преди всичко мащабното ниво на механичните явления. Въпреки че по принцип са еквивалентни, т.е. дават едни и същи решения на един и същ проблем, но всеки език има клас проблеми, които могат да бъдат решени най-ясно и просто в него. Нещо повече, разширяването на механиката към микросвета, към квантовата област, се оказа възможно точно в тези нови „енергийни” езици, например в езика на Хамилтон, но за езика на Нютон разширение към квантовата област никога не беше изградено . Това вече показва значението на създаването на нови механични езици. Без изграждането на цял клас от такива езици в края на 19г - 20 века може би е било невъзможно да се създаде механиката на микрочастиците и без това създаването на всички технологии, които ги използват - електроника, ядрена енергия и др. Това е значението на „механичните езици“. Нютоновият език служи като основа за индустриалната революция от 18 век и създаването на механични машини и механизми. Ненютоновите, енергийни езици на механиката послужиха като основа за създаването през ХХ век на теорията на микромеханичните процеси, която теория стана основа за създаването на цялата електроника, ядрена физика, лазерна технология и други области на технологията през ХХ век.

Астронавтиката, възникнала в средата на двадесети век, все още използва механичния език на Нютон, който е разработен за други мащаби на механични явления. Не е подходящ за космонавтика. Липсата в този език на такова централно понятие като безтегловност и още повече „тежест“, широкото използване на такива грозни и неприемливи думи в науката като „претоварване“ (и какво е „натоварване“?) с още по-ужасни фрази като „отрицателно претоварване“, „недостатъчно натоварване“ и т.н. говори само за себе си. Космонавтиката и като цяло зоната на мегасвета се нуждае от свой, по-адекватен език. И е очевидно, че използването на понятието „сила“ като основно понятие на този език вече не може да се осъществи. Необходима е нова фундаментална механична концепция, на базата на която трябва да се изгради нов език на механиката, по-адекватен на задачите за описание на космонавтиката и мегасвета.

За да открием тази нова фундаментална концепция, нека се обърнем към астронавтиката. В астронавтиката „безтегловността“ е централно понятие.

Всички можем лесно да определим наличието на безтегловност от телевизионна картина. Но какво е това от гледна точка на механичната наука? Ето само някои от определенията за безтегловност от най-авторитетните източници.

Безтегловност- състояние, когато силата на взаимодействие на тялото с опора (видимото тегло на тялото), възникваща във връзка с гравитационното привличане или във връзка с ускорението на тялото, изчезва. Понякога можете да чуете друго име за този ефект - микрогравитация.( Уикипедия).

Определението е просто неясно. Какво е „силата на взаимодействие поради ускорението“? В механиката няма такова понятие. Какво е „привидно тегло“? И едва ли е допустимо да се бърка микрогравитацията с безтегловността. Това са различни понятия.

Безтегловносте състояние, при което гравитационните сили, действащи върху тялото, не предизвикват взаимно налягане на неговите части една върху друга ( Астрономически речник на уебсайта на Института за космически изследвания на Руската академия на науките).

Като цяло не е ясно защо „взаимният натиск“ вътре в тялото изведнъж изчезва в космоса или в парашутиста по време на скок? Какво, сърдечното му налягане изчезва или клапата вече не притиска леглото си. Или вътрешното налягане в течността изчезва, образувайки сферични капки при нулева гравитация? И как можем да определим дали тези взаимни налягания са свързани с гравитационните сили или не? И това отговаря ли на телевизионната картина от космическия кораб? Дори и най-неграмотният човек веднага ще каже, че безтегловност - това е нещо съвсем различно и още повече самите астронавти.

Безтегловност, - състоянието на телата извън силите на гравитацията (Руски правописен речник на Руската академия на науките).

Определението може да предизвика само усмивка. Но създателите на речника- лингвисти - Те не са го измислили сами, а вероятно са използвали съветите на специалисти от Академията на науките.

Безтегловност- състояние на материално тяло, при което външните сили, действащи върху него или движението, което извършва, не предизвикват взаимно налягане на частиците една върху друга ( Велика съветска енциклопедия).

Сравнете като „сили“ и „извършени движения“ от един ред - това е нещо извън механиката. Имайте предвид също, че във всички дефиниции има терминът „състояние“, въпреки че в механиката няма понятие „състояние“.

По този начин, централната концепция на астронавтиката - Не тежест - в съвременната механика изобщо няма правилно описание. Усещането е, че за теоретичната механика съществува „тера инкогнито“, което е нахлуло в сферата на реалната механична практика, но за което няма място в теорията. Затова си измислят каквото си искат.

Но ако има „безтегловност“, тогава трябва да има и „тежест“, липсата на която създава „безтегловност“. Това са изискванията на научната логика, законите за конструиране на езиците на науката.

И за да изградим нов език, постулираме съществуването на нова концепция за механиката - концепции" механично състояние на механичен обект" Това понятие не съществува в Нютоновата механика. Това е нова концептуална концепция за нов език. И съответно" тежест" Има характеристика на механичното състояние на тялото. А безтегловността е специален, специален случай на тежко състояние, тежко състояние без тежест.

Остава да се характеризира понятието тежест. Приемаме, че в новия език на механиката теглото е фундаментално, неоткриваемв самия език, понятие, което замества фундаменталното понятие за сила в Нютоновия език. Теглото е вектор, приложен върху самото тяло и движещ се с тялото.

Не можем да дефинираме понятието тегло на самия език, но можем да дадем описание на устройствата, които измерват това количество. Ще наречем тези измервателни уреди за тегло " тегломери" Оказва се, че тегломерите намират широко приложение в техниката и най-вече в космонавтиката. Просто имат странно име." акселерометри“, т.е. метри за ускорение. Ясно е, че тежест върху пружина не може да измери никакво ускорение (затова академик Ишлински предложи името „нютонометри“ за тези устройства, което е по-добре, но не съвсем). Не измерва кинематичната характеристика - в края на краищата, последното количество е относително и зависи от отправната система и наблюдателя, а именно характеристиката на механичното състояние на обекта. Има друго име за тегломери - това е името" гравиметри“, който се използва в гравиметрията. Това във всеки случай е по-добро от акселерометъра. В същото време отбелязваме, че хората (и другите животни) имат сетивен орган - шести орган на сетивата - който се състои от цял ​​комплект тегломери. Този сетивен орган - вестибуларен апарат - разположени във вътрешното ухо на човека. Самите физиологични тегломери имат някакво медицинско име, но нямат механично такова, защото механичните теоретици нямаха смелостта да нарекат тези вътрешни физиологични тегломери акселерометри, би било прекалено болят ме ушите.

А връзката между нео-оптолемеевата механика и нютоновата механика се осъществява чрез концепцията сила. Но сега силата е вече вторично, производно понятие. Силае векторна величина, пропорционална на произведението от модула на гравитацията и масата на тялото и антиколинеарна на вектора на гравитацията.

Тук м- тегло, У- тегловен вектор, Е- вектор на силата. Отново да напомним, че силите са само електромагнитни, гравитационни няма. Тъй като върху камъка се прилага опорна сила, насочена нагоре, теглото на телата на Земята е насочено надолу.

От тук веднага става ясно, че от гледна точка на Нютоновата механика теглото е специфична сила, т.е. сила на единица маса, макар и ориентирана в обратна посока спрямо вектора на силата.

И накрая, това вече не е просто определение на силата, а смислена аксиома на механиката се състои в третия закон на Нютон: силата на реакция е равна на активната сила, но е насочена в обратна посока.

Дадена е връзката между движение и механично състояние в инерциалната отправна система в новата механика модифициран от втория закон на Нютон (аксиома): ускорението е пропорционално на теглото, но посоката му е обратна на вектора на теглото.

w– ускорение на тялото в инерционната отправна система, У- теглото му. Получаваме основния закон на механиката в много проста форма. Това уравнение не включва никакви вътрешни, иманентни характеристики на тялото. Много е важно. Всички тела се движат по един и същи начин, ако са в едно и също механично състояние, от някаква прашинка до корпуса на главния калибър на боен кораб.

По едно време Галилей, хвърляйки камъни от наклонената кула в Пиза, стигна до извода, че всички тела падат еднакво. Новият закон на механиката разширява това твърдение до следното: Всички тела се движат по един и същ начин, ако са в едно и също механично състояние.

Единицата SI за тегло е N/kg. Тази единица в гравиметрията обикновено се нарича Галилео, съкратено като Ch. Тегло на повърхността на Земята 9,81 Gl, на повърхността на Луната - 1,62 Gl, в ракета на стартовата площадка около 40 Gl, по време на боен ход в изтребител до 80 Gl, на балистична ракета Топол-М при излитане до 120 Gl, теглото на оръдие снаряд по време на ускорение в барел може да бъде до 100 kGl., микрогравитация теглото в орбиталната станция е около 1 nGl (nanoGalileo). Виждаме в какви големи граници варира тежестта, с която борави практиката.

8.Тегло

Новата механика инициира създаването на нова механична дисциплина - тежести. Това е науката за механичното състояние. Тя ще намери своето приложение в голямо разнообразие от приложни науки и технологии. Това са космическа, авиационна и морска медицина, биофизика, ветеринарна медицина, силови науки, спортна медицина, механика на спортните дисциплини, механика и дизайн на машини, апарати и паркови атракции и др. И на първо място, това ще даде на всички тези науки и технологии унифицирана научна терминология вместо някакви странни „претоварвания“, „недотоварвания“ и т.н. В новата механика тежестите са призовани да заемат същото място като статиката в Нютоновата механика .

И така, дефинирахме основните понятия на новия механичен език. Ако механичният обект се разглежда като елементарен, неделим, тогава той се характеризира с един вектор на теглото, както и с една сила. Ако имаме съставен механичен обект, наречен тяло, тогава имаме разпределение на тежестта върху тялото. Това разпределение може да бъде плоско, т.е. всички части на тялото имат еднаква тежест. Но също така може да бъде сложно, ако тялото прави свои собствени движения, например ротации, или е в не-Галилеево пространство.

9. Описание на гравитационното поле

И така, гравитационното поле е област от не-Галилеевото пространство. Как да опишем това пространство?

В Нютоновата механика има гравитационни сили. Следователно гравитацията се описва чрез напрегнатост на полето, т.е. разпределение на специфичните гравитационни сили, сили, приложени към единица маса.

Но в новата механика няма гравитационни сили, а гравитацията е просто свойство на пространството. Следователно нютоновият подход не е подходящ.

В гравитационния подход на Айнщайн гравитацията е свойство, което огъва пространството. Тази кривина води до факта, че координатната мрежа (геодезическите линии), която в общата теория на относителността се състои от линии на движение на светлината, става извита. Кривината на това пространство определя гравитационното поле. Но нито в областта на космонавтиката, нито в небесната механика и дори в механиката на звездите и галактиките това описание е практически неприложимо. Кривините на светлинните траектории са твърде незначителни в тези мащаби и практическите гравитационни полета са твърде малки за общата теория на относителността. Използването на общата теория на относителността в областта на практически използваните гравитационни явления е същото като използването на метрова лента за измерване на атомните разстояния. Обратно, Нютоновият подход води до адекватни гравитационни характеристики в мащаба на астронавтиката или небесната механика.

И така, стигаме до заключението: Нютоновият подход дава добро описание на практически значими гравитационни полета, но се основава на гравитационни сили, които ние нямаме; Айнщайновият подход се основава на промяна на свойствата на пространството, но е ефективен само в областта на свръхсилните гравитационни полета, не и в астронавтиката, практически никога не се среща в небесната механика. Може да има място в космологията, но не и в областта на описването на полети в околоземни орбити или вътре в Слънчевата система. И се изисква да се създаде описание на гравитационното поле, което да е адекватно на размерите на това на Нютон, но в същото време да се основава това описание на промените в свойствата на пространството, както в подхода на Айнщайн.

И се оказва, че може да се направи. За да направите това, просто трябва да използвате фундаменталната стойност на новата механика - тежест.

В галилеевото пространство е възможно да се създаде инерционна отправна система, в която свободните тела се движат равномерно и праволинейно или са в покой. От това следва, че в галилеевото пространство е възможно да се създаде среда на почиващи и безтегловни тела. Но тази среда може да бъде просто референтна рамка. Просто трябва да маркирате тези безтегловни тела в покой по определен начин, да им зададете координати и да ги използвате, за да опишете движенията на телата.

В негалилеевото пространство свободните тела не могат да бъдат неподвижни едно спрямо друго. Всеки ансамбъл от свободни тела ще започне да се разпада. И ако искаме телата в гравитационно поле да са неподвижни едно спрямо друго, те трябва по някакъв начин да бъдат закрепени едно за друго, т.е. приложете сила към тях. И отново не гравитационен, а обикновен, електрически или магнитен по природа.

Но ако приложим сили към телата, тогава те престават да бъдат свободни и стават тежки. И в тази неподвижна среда има разпределение на тежестта. Можем да използваме това разпределение на теглото като полева характеристика на гравитационното поле. По този начин гравитационното поле в неподвижна среда може да стане характеристика на гравитационното поле. Можем също да наречем това разпределение на теглата силата на гравитационното поле.

Лесно се вижда, че числено стигнахме до същото Нютоново гравитационно поле, до специфичната сила, само че сега сме го интерпретирали наново: не специфичната гравитационна сила, а специфичната сила на негравитационните сили, т.е. теглото се е превърнало в интензитета на гравитационното поле. Но стойностите на силата на гравитационното поле в двете теории напълно съвпадат.

Изглежда, че сме стигнали до едно и също нещо и няма разлика в реалното описание на гравитационните полета. Но не наистина. Факт е, че гравитационната сила е абсолютна, силите, действащи между гравитиращите тела според закона за всемирното привличане, са абсолютни. Следователно гравитационните полета са уникални и абсолютни. Те изискват единна и специална референтна рамка, т.е. Референтна система на Коперник. Но в новата механика това е разпределението на теглата в твърда виртуална среда. И вие можете да въведете колкото искате такива виртуални среди в космоса. Няма предварително избрани носители. Можете да изберете различни тела като първоначални тела, към които да „прикрепите“ други тела, за да създадете координатна среда. От абсолютното гравитационно поле стигаме до многомерно, относително гравитационно поле. Така стигнахме до още по-голяма обща относителност на гравитацията; тя се оказа „дори по-относителна“, отколкото изглеждаше на Айнщайн.

Но тази относителност вече не е теоретичен трик за някакъв вид „обща ковариация“. Той е практичен и изключително важен за космонавтиката. Например, можем да вземем центъра на Земята като начално тяло и да построим гравитационно поле в референтна система с фиксиран център на Земята. Астронавт в орбита може да вземе своя кораб като изходно тяло и да изгради отправна система със себе си като фиксирана отправна точка и със съответно разпределение на тежестите в тази среда, която ще бъде гравитационното поле. Това космосавтоцентриченгравитационното поле ще се различава значително от геоцентричното Разбира се, все още е необходимо да се открият законите на прехода от едно гравитационно поле към друго и да се създаде съответният математически апарат. Но това вече е технически въпрос. И в някои случаи ще бъде по-удобно за астронавта да разгледа движението на телата в космоавтоцентрична отправна система. И на лунния наут на лунната станция - в селеноцентричната референтна система, на земния астроном - в геоцентричната (Птолемеева), а за ученици и студенти ще бъде полезно да използват хелиоцентричната система за визуално представяне на структурата на Слънчевата система. По този начин нео-оптолемеевата механика не отхвърля механиката на Коперник, а просто я поставя наравно с други референтни системи, включително Птолемеева. И въпросът коя система е правилната, въпросът, за който се проля толкова много кръв и хората отидоха на кладата, се оказа въпрос не на религия или идеология, а на чист прагматизъм - Която система е по-изгодна за конкретна задача, това е тази, която трябва да използвате. Новата механика обединява Птолемей и Коперник, Джордано Бруно и неговите палачи.

В същото време незабавно отбелязваме, че всички изброени по-горе референтни системи са свързани със свободни тела, следователно всички те са локално галилейски, т.е. в началото на тези системи няма гравитационно поле и силата на полето е нула. Получихме най-важното свойство на гравитационните полета, свързани със свободни тела, което не е в настоящата механична теория, но практическата астронавтика използва тях за дълго време. Но използването на определени схеми и факти без тяхната теоретична обосновка често води до грешки и други неблагоприятни резултати. Ето защо е важна теоретичната обосновка на космическата практика.

10.Движение на тела в гравитационно поле

И сега можем да напишем уравнението за движение на свободни тела в гравитационно поле. Това уравнение може да се напише много просто: ускорение wсвободно (безтегловно) тяло е равна на силата на гравитационното поле V:

Какво е ускорението на гравитацията в полето на Земята? Тя е числено равна на интензитета на гравитационното поле на земната повърхност и е насочена в същата посока. Ние знаем теглото на повърхността на Земята, У=9.81 Ch. Но това тегло е в същото време интензитетът на гравитационното поле на повърхността на Земята, V = 9,81 Ch. Следователно ускорението на свободното падане е числено равно на силата на полето, но естествено има други мерни единици - w =9,81 m/s 2 .

И накрая, обобщеният закон за движение на тежко тяло в гравитационно поле ще бъде: ускорението на тежко тяло в гравитационно поле е равно на силата на полето минус неговата тежест, т.е.

Получихме обобщение на втория закон на Нютон. Той обяснява всички факти перфектно. Ако тялото е неподвижно, ускорението е нула, тогава в гравитационното поле теглото е равно на напрегнатостта на полето и обратно, силата на гравитационното поле е равна на теглото на неподвижните тела. Ако няма гравитационно поле, тогава ускорението е равно на теглото на тялото с обратен знак. А ако има гравитационно поле и тялото е свободно, тогава неговото ускорение е насочено по напрегнатостта на полето и е числено равно на. то. Много проста и визуална интерпретация на движения и състояния.

Нека отново да отбележим, че в това уравнение не са включени вътрешни, вътрешни характеристики (например маса) на тялото. Значението на това за навигационните изчисления в астронавтиката и в механиката като цяло трудно може да бъде надценено. Това е още по-нататъшно разширение на принципа на Галилей: всички тела в едно и също гравитационно поле и в едно и също механично състояние се движат по един и същи начин.

11.Хармонични отправни системи

Но нека веднага да отбележим, че това уравнение е получено не за произволна референтна система, а само за специални, така наречените хармонични референтни системи. Хармонична отправна системае референтна система, която е инерционна в безкрайност. Инерциалните референтни системи естествено са хармонични. Но неинерциалните отправни системи в галилеевото пространство вече са нехармонични. В не-Галилеевото пространство няма инерциални системи, но има отправни системи, които са инерционни извън него-Галилеевия регион, т.е. в безкрайност. Това са хармонични отправни системи. Ако гравитацията се „премахне“, тогава те се превръщат в инерционни референтни системи. Например референтната система, свързана със Земята, ориентирана към далечни звезди, не е инерционна поради наличието на земно поле, но е хармонична. Следователно проблемът за изграждане на инерциална референтна система на Земята не е формулиран напълно правилно. Това е проблемът за конструиране на хармонична отправна система. Той е много важен дори в ежедневието, например за клетъчни и космически комуникации и системи за космическа навигация. Тя може да бъде решена или чрез далечни звезди, или чрез използване на вътрешни стабилизиращи устройства, например жироскопи. Това е и най-важната и постоянна задача на космонавтиката.

Законите на движението в нехармоничните, всъщност въртящи се референтни системи стават по-сложни, но ние няма да се спираме на това, тъй като нашата задача не е да конструираме всички нови механики, а само да демонстрираме нейната необходимост и да формулираме тези основни понятия и закони, които я отличават от сегашната механика на Коперник. Нека подчертаем отново. Настоящата механика не се отхвърля, тя е добра и вярна за набор от явления или извън гравитационното поле, или в постоянно гравитационно поле, т.е. в механиката на земната повърхност. Но в космонавтиката, където има сложна комбинация от променящи се гравитационни полета и разнообразни движения, където обектът на движение не са мъртви камъни и космически тела, а мислещо същество, човек, това е незадоволително.

12.Уравнения на гравитационното поле

И сега можем да напишем уравненията на гравитационното (гравитационното) поле. Това уравнение има формата, идентична на уравнението на полето в Нютоновата механика:

Тук rе плътността на веществото.

На пръв поглед това е обичайното уравнение на Нютоновото гравитационно поле. Но тук има тънкости. Те са както следва:

1. Уравнението на полето в Нютоновата механика се записва в системата на центъра на масата, т.е. в референтната система на Коперник. В нашата механика това уравнение е вярно за всяка хармонична отправна система. Тези. важи както за слънчевата система, така и в отправната система на Земята и в отправната система на орбитален или междупланетен космически кораб.

2. От математиката е известно, че за решаването на това уравнение е необходимо да се зададат или гранични, или начални условия. Електромагнитното поле изисква задаване на гранични условия. Но гравитационното поле изисква настройка на началните. Гранични условия - нулевите условия в безкрайност за хармоничната рамка се удовлетворяват автоматично. А началните условия, т.е. напрегнатост на полето в началото на референтната рамка, т.е. трябва да се посочи теглото на първоначалното тяло на референтната система. И ако началото на отправната система е свързано със свободно тяло, тогава тази отправна система е локално инерционна и началната стойност на полето е нула. V (0)=0.

3. От математиката също е известно, че за да се определи векторно поле, трябва да се посочи една дивергенция. не достатъчно. Необходимо е също така да се уточни полевият ротор. Ако приемем, че гравитационното поле е потенциално, то това означава, че роторът на полето е равен на нула и тогава системата от уравнения на гравитационното поле в хармоничната отправна система ще бъде записана във формата:

Така тази система от уравнения на полето описва гравитационното поле (гравитационното поле) в хармонична отправна система. За нехармоничните отправни системи разпределението на тегловното поле ще бъде различно, но засега няма да говорим за това.

13. Разширение на гравитационната теория на гравитацията на Нютон

Има ли разширение на гравитационната теория? Имаме предвид стандартния начин за разширяване чрез добавяне на нови членове? да За да направите това, струва си да въведете ненулев член в дясната страна на второто уравнение. Тъй като уравнението е аксиално-векторно, тогава отдясно е необходимо да се въведе някаква аксиално-векторна характеристика на средата. Има ли такова нещо? Да, това е плътността на вътрешния въртящ момент (завъртане) с. И като вземем предвид размерите, можем да напишем тази система от уравнения на гравитационното поле в хармоничната отправна система като:

Тук А- някаква безразмерна константа, която все още трябва да бъде определена от наблюдения.

Какво означава добавянето на този член? Това означава, че в близост до въртящо се тяло има допълнителна вихрова компонента на гравитационното поле. Вихровото поле на едно въртящо се тяло е подобно на магнитното поле на единичен магнитен дипол. Пада много бързо, според куба на радиуса. И следователно може да повлияе на трафика само в непосредствена близост.

В непосредствена близост до Слънцето е планетата Меркурий. Несъответствието между движението му и законите на Нютон се забелязва отдавна. И ако се смята, че това е отразено в теорията на Айнщайн за гравитацията, тогава защо не може да бъде отразено в модернизираната, нео-Нютонова теория за гравитацията? Друг възможен ефект е свързан с влиянието на това поле върху жироскопа под формата на промяна на оста на неговото въртене. И този ефект, очевидно, вече е открит в експеримент на американския спътник GP-B (гравитационна сонда). - B), стартиран през април 2004 г.

Възможни са и други прояви на това поле. При изчисляване на кривината на светлината при преминаване близо до диска на Слънцето според теорията на Нютон (според тази теория всички механични обекти се движат по същия начин, движението се определя само от началните условия), получената стойност се различава от наблюдаваната един. Напълно възможно е да се предположи, че това се дължи именно на влиянието на вихровото поле на Слънцето. Вихровото поле ще повлияе особено силно на движението на газообразната и плазмената материя в горната обвивка на Слънцето. Напълно възможно е това да даде нови подходи към физиката на Слънцето и слънчевата атмосфера и нейната активност. Като цяло въртенето е един от най-важните астрофизични фактори. И въвеждането на вихров компонент на гравитационното поле може значително да промени представите ни за структурата на мегасвета. Образно казано, ако потенциалната компонента на гравитационното поле осигурява стабилността на Вселената, то вихровата й придава динамика. Но ние наблюдаваме удивителен динамизъм в космоса, мегасвета и дори на Земята.

14. Заключение

Миналата (и сегашната) механика на Нютон-Коперник не отговаря на изискванията, които съвременната космонавтика поставя пред механичната теория. Тя не предоставя адекватно теоретично описание на космическото преживяване и често просто му противоречи. Само новата не-Нютонова и не-Коперникова механика ще отвори нови хоризонти за астронавтиката и, дори по-широко, за механиката и нейните практически приложения. В основата на тази механика е ново разбиране за гравитацията, гравитация без гравитационни сили, но може би с вихров компонент.

Гравитацията е най-мистериозната сила във Вселената. Учените не познават напълно природата му. Тя е тази, която държи планетите от Слънчевата система в орбита. Това е сила, която възниква между два обекта и зависи от масата и разстоянието.

Гравитацията се нарича сила на привличане или привличане. С негова помощ планета или друго тяло привлича обекти към своя център. Гравитацията поддържа планетите в орбита около Слънцето.

Какво друго прави гравитацията?

Защо се приземявате на земята, когато скачате, вместо да изплувате в космоса? Защо нещата падат, когато ги хвърлите? Отговорът е невидимата сила на гравитацията, която дърпа обектите един към друг. Земната гравитация е това, което ви държи на земята и кара нещата да падат.

Всичко, което има маса, има гравитация. Силата на гравитацията зависи от два фактора: масата на обектите и разстоянието между тях. Ако вземете камък и перо и ги пуснете от една и съща височина, и двата обекта ще паднат на земята. Тежък камък ще падне по-бързо от перо. Перото пак ще виси във въздуха, защото е по-леко. Обектите с по-голяма маса имат по-силна гравитационна сила, която отслабва с разстоянието: колкото по-близо са обектите един до друг, толкова по-силно е тяхното гравитационно привличане.

Гравитация на Земята и във Вселената

По време на полета на самолета хората в него остават на място и могат да се движат като по земята. Това се случва поради траекторията на полета. Има специално проектирани самолети, в които няма гравитация на определена височина, което води до безтегловност. Самолетът извършва специална маневра, масата на обектите се променя и те се издигат във въздуха за кратко време. След няколко секунди гравитационното поле се възстановява.

Като се има предвид силата на гравитацията в космоса, земното кълбо е по-голямо от повечето планети. Просто погледнете движението на астронавтите при кацане на планети. Ако вървим спокойно по земята, тогава астронавтите сякаш се носят във въздуха, но не летят в космоса. Това означава, че тази планета също има гравитационна сила, съвсем малко по-различна от тази на планетата Земя.

Гравитационната сила на Слънцето е толкова силна, че държи девет планети, множество спътници, астероиди и планети.

Гравитацията играе жизненоважна роля в развитието на Вселената. При липса на гравитация нямаше да има звезди, планети, астероиди, черни дупки или галактики. Интересното е, че черните дупки всъщност не се виждат. Учените определят признаците на черна дупка по силата на гравитационното поле в определена област. Ако е много силен със силна вибрация, това показва съществуването на черна дупка.

Мит 1. В космоса няма гравитация

Гледайки документални филми за астронавтите, изглежда, че те се носят над повърхността на планетите. Това се случва, защото на други планети гравитацията е по-ниска, отколкото на Земята, така че астронавтите ходят, сякаш се носят във въздуха.

Мит 2. Всички тела, които се доближават до черна дупка, се разкъсват

Черните дупки са мощни и произвеждат мощни гравитационни полета. Колкото по-близо е един обект до черна дупка, толкова по-силни стават приливните сили и гравитацията. По-нататъшното развитие на събитията зависи от масата на обекта, размера на черната дупка и разстоянието между тях. Черната дупка има маса, която е точно противоположна на нейния размер. Интересното е, че колкото по-голяма е дупката, толкова по-слаби са приливните сили и обратното. По този начин, не всички обекти се разкъсват, когато навлизат в полето на черната дупка.

Мит 3. Изкуствените спътници могат да обикалят около Земята завинаги

Теоретично може да се каже така, ако не беше влиянието на вторични фактори. Много зависи от орбитата. На ниска орбита сателитът няма да може да лети вечно поради атмосферно спиране; на високи орбити той може да остане в непроменено състояние за доста дълго време, но тук влизат в сила гравитационните сили на други обекти.

Ако сред всички планети съществуваше само Земята, спътникът щеше да бъде привлечен от нея и практически нямаше да промени траекторията си. Но на високи орбити обектът е заобиколен от много планети, големи и малки, всяка със собствена гравитационна сила.

В този случай спътникът постепенно ще се отдалечи от орбитата си и ще се движи хаотично. И е вероятно след известно време да се е разбил на най-близката повърхност или да се е преместил на друга орбита.

Някои факти

1. В някои части на Земята силата на гравитацията е по-слаба, отколкото на цялата планета. Например в Канада, в района на залива Хъдсън, силата на гравитацията е по-ниска.
2. Когато астронавтите се завърнат от космоса на нашата планета, в самото начало им е трудно да се адаптират към гравитационната сила на земното кълбо. Понякога това отнема няколко месеца.
3. Черните дупки имат най-мощната гравитационна сила сред космическите обекти. Една черна дупка с размерите на топка има повече сила от която и да е планета.

Въпреки непрекъснатото изследване на силата на гравитацията, гравитацията остава неразгадана. Това означава, че научното познание остава ограничено и човечеството има много нови неща за научаване.

Гравитационната сила е основата, върху която почива Вселената. Благодарение на гравитацията Слънцето не експлодира, атмосферата не излиза в космоса, хората и животните се движат свободно по повърхността, а растенията дават плодове.

Небесна механика и теория на относителността

Законът за всемирното притегляне се изучава в 8-9 клас на гимназията. Прилежните ученици знаят за прочутата ябълка, паднала на главата на великия Исак Нютон и за откритията, които последвали. Всъщност да се даде ясна дефиниция на гравитацията е много по-трудно. Съвременните учени продължават дискусиите за това как телата си взаимодействат в космоса и съществува ли антигравитация. Изключително трудно е да се изследва това явление в земните лаборатории, така че се разграничават няколко основни теории за гравитацията:

Нютонова гравитация

През 1687 г. Нютон полага основите на небесната механика, която изучава движението на телата в празното пространство. Той изчислява силата на гравитацията на Луната върху Земята. Според формулата тази сила директно зависи от тяхната маса и разстоянието между обектите.

F = (G m1 m2)/r2
Гравитационна константа G=6.67*10-11

Уравнението не е напълно уместно, когато се анализира силно гравитационно поле или привличането на повече от два обекта.

Теорията на Айнщайн за гравитацията

В хода на различни експерименти учените стигнаха до извода, че във формулата на Нютон има някои грешки. Основата на небесната механика е сила на далечни разстояния, която действа незабавно независимо от разстоянието, което не отговаря на теорията на относителността.

Според теорията на А. Айнщайн, разработена в началото на 20 век, информацията не се движи по-бързо от скоростта на светлината във вакуум, следователно гравитационните ефекти възникват в резултат на деформацията на пространство-времето. Колкото по-голяма е масата на обекта, толкова по-голяма е извивката, в която се търкалят по-леките предмети.

Квантова гравитация

Много противоречива и не напълно оформена теория, която обяснява взаимодействието на телата като обмен на специални частици - гравитони.

В началото на 21-ви век учените успяха да проведат няколко значими експеримента, включително с помощта на адронния колайдер, и да развият теорията за примковата квантова гравитация и теорията на струните.

Вселена без гравитация

Научнофантастичните романи често описват различни гравитационни изкривявания, антигравитационни камери и космически кораби с изкуствено гравитационно поле. Понякога читателите дори не се замислят колко нереалистични са сюжетите на книгите и какво ще се случи, ако гравитацията намалее/увеличи или напълно изчезне.

1. Човекът е адаптиран към земната гравитация, така че в други условия ще трябва да се промени радикално. Безтегловността води до атрофия на мускулите, намаляване на броя на червените кръвни клетки и нарушаване на функционирането на всички жизненоважни системи на тялото, а с увеличаване на гравитационното поле хората просто няма да могат да се движат.
2. Въздух и вода, растения и животни, къщи и коли ще летят в космоса. Дори хората да успеят да останат, те бързо ще умрат без кислород и храна. Ниската гравитация на Луната е основната причина за липсата на атмосфера и съответно на живот.
3. Нашата планета ще се разпадне, когато налягането в самия център на Земята изчезне, всички съществуващи вулкани ще изригнат и тектоничните плочи ще се разделят.
4. Звездите ще експлодират поради интензивен натиск и хаотични сблъсъци на частици в ядрото.
5. Вселената ще се превърне в безформена яхния от атоми и молекули, които не могат да се комбинират, за да създадат нещо по-голямо.

За щастие на човечеството спирането на гравитацията и последвалите ужасни събития никога няма да се случат. Тъмният сценарий просто демонстрира колко важна е гравитацията. Тя е много по-слаба от електромагнетизъм, силни или слаби взаимодействия, но всъщност без него нашият свят ще престане да съществува.

По кой закон ще ме обесите?
- И ние бесим всички според един закон - закона за Всемирното притегляне.

Закон за гравитацията

Феноменът на гравитацията е законът за всемирното притегляне. Две тела действат едно върху друго със сила, която е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях и право пропорционална на произведението на техните маси.

Математически можем да изразим този велик закон чрез формулата

Гравитацията действа на огромни разстояния във Вселената. Но Нютон твърди, че всички обекти се привличат взаимно. Вярно ли е, че всеки два обекта се привличат? Само си представете, известно е, че Земята ви привлича, седейки на стол. Но мислили ли сте някога, че компютърът и мишката се привличат? Или молив и химикал, лежащи на масата? В този случай заместваме масата на писалката и масата на молива във формулата, разделяме на квадрата на разстоянието между тях, като вземем предвид гравитационната константа и получаваме силата на тяхното взаимно привличане. Но ще бъде толкова малък (поради малките маси на химикала и молива), че не усещаме присъствието му. Друг е въпросът, когато става въпрос за Земята и стола или Слънцето и Земята. Масите са значителни, което означава, че вече можем да оценим ефекта на силата.

Нека си припомним ускорението на свободното падане. Това е действието на закона за привличането. Под въздействието на сила тялото променя скоростта толкова по-бавно, колкото по-голяма е масата му. В резултат на това всички тела падат на Земята с еднакво ускорение.

Какво причинява тази невидима уникална сила? Днес съществуването на гравитационно поле е известно и доказано. Повече за природата на гравитационното поле можете да научите в допълнителния материал по темата.

Помислете за това, какво е гравитацията? От къде е? Какво е? Със сигурност не може планетата да погледне към Слънцето, да види колко е далеч и да изчисли обратния квадрат на разстоянието в съответствие с този закон?

Посока на гравитацията

Има две тела, да кажем тяло A и B. Тяло A привлича тяло B. Силата, с която действа тяло A, започва от тяло B и е насочена към тяло A. Тоест тя „взема“ тяло B и го дърпа към себе си . Тяло Б „прави“ същото с тяло А.

Всяко тяло е привлечено от Земята. Земята „взема” тялото и го дърпа към центъра. Следователно тази сила винаги ще бъде насочена вертикално надолу и се прилага от центъра на тежестта на тялото, нарича се сила на гравитацията.

Основното нещо, което трябва да запомните

Някои методи за геоложко проучване, прогнозиране на приливи и отливи и, по-скоро, изчисляване на движението на изкуствени спътници и междупланетни станции. Предварително изчисляване на планетарни позиции.

Можем ли сами да направим такъв експеримент и да не гадаем дали планетите и обектите се привличат?

Такъв пряк опит, направен Кавендиш (Хенри Кавендиш (1731-1810) - английски физик и химик)с помощта на устройството, показано на фигурата. Идеята беше да окачите пръчка с две топки на много тънка кварцова нишка и след това да донесете две големи оловни топки към тях отстрани. Привличането на топките ще усуче леко нишката - леко, защото силите на привличане между обикновените предмети са много слаби. С помощта на такова устройство Кавендиш успява директно да измери силата, разстоянието и големината на двете маси и по този начин да определи гравитационна константа G.

Уникалното откритие на гравитационната константа G, която характеризира гравитационното поле в космоса, направи възможно определянето на масата на Земята, Слънцето и други небесни тела. Затова Кавендиш нарича опита си „претегляне на Земята“.

Интересното е, че различните закони на физиката имат някои общи черти. Нека се обърнем към законите на електричеството (силата на Кулон). Електрическите сили също са обратно пропорционални на квадрата на разстоянието, но между зарядите, и неволно възниква мисълта, че в този модел се крие дълбок смисъл. Досега никой не е успял да си представи гравитацията и електричеството като две различни проявления на една и съща същност.

Силата тук също варира обратно пропорционално на квадрата на разстоянието, но разликата в големината на електрическите и гравитационните сили е поразителна. Опитвайки се да установим общата природа на гравитацията и електричеството, ние откриваме такова превъзходство на електрическите сили над силите на гравитацията, че е трудно да се повярва, че и двете имат един и същ източник. Как можеш да кажеш, че единият е по-силен от другия? В крайна сметка всичко зависи от това каква е масата и какъв е зарядът. Когато обсъждате колко силно действа гравитацията, нямате право да кажете: „Да вземем маса с такъв и такъв размер“, защото вие сами го избирате. Но ако вземем това, което самата природа ни предлага (нейните собствени числа и мерки, които нямат нищо общо с нашите инчове, години, с нашите мерки), тогава ще можем да сравним. Вземаме елементарна заредена частица, например електрон. Две елементарни частици, два електрона, поради електричен заряд, се отблъскват взаимно със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях, а поради гравитацията отново се привличат един към друг със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието.

Въпрос: Какво е отношението на гравитационната сила към електрическата сила? Гравитацията е спрямо електрическото отблъскване, както едно е към число с 42 нули. Това предизвиква дълбоко недоумение. Откъде може да дойде такъв огромен брой?

Хората търсят този огромен коефициент в други природни явления. Те опитват всякакви големи числа и ако имате нужда от голямо число, защо не вземете, да речем, съотношението на диаметъра на Вселената към диаметъра на протона - изненадващо, това също е число с 42 нули. И така те казват: може би този коефициент е равен на отношението на диаметъра на протона към диаметъра на Вселената? Това е интересна идея, но тъй като Вселената постепенно се разширява, гравитационната константа също трябва да се промени. Въпреки че тази хипотеза все още не е опровергана, ние не разполагаме с никакви доказателства в нейна полза. Напротив, някои доказателства сочат, че гравитационната константа не се е променила по този начин. Този огромен брой остава загадка и до днес.

Айнщайн трябваше да промени законите на гравитацията в съответствие с принципите на относителността. Първият от тези принципи гласи, че разстояние x не може да бъде преодоляно мигновено, докато според теорията на Нютон силите действат мигновено. Айнщайн трябваше да промени законите на Нютон. Тези промени и уточнения са много малки. Едно от тях е следното: тъй като светлината има енергия, енергията е еквивалентна на масата и всички маси се привличат, светлината също се привлича и следователно, преминавайки покрай Слънцето, трябва да бъде отклонена. Ето как всъщност се случва. Силата на гравитацията също е леко модифицирана в теорията на Айнщайн. Но тази съвсем лека промяна в закона за гравитацията е достатъчна, за да обясни някои от очевидните нередности в движението на Меркурий.

Физическите явления в микросвета са подчинени на различни закони от явленията в света в голям мащаб. Възниква въпросът: как се проявява гравитацията в света на малките мащаби? На него ще отговори квантовата теория на гравитацията. Но все още няма квантова теория за гравитацията. Хората все още не са постигнали голям успех в създаването на теория за гравитацията, която е напълно съвместима с принципите на квантовата механика и с принципа на несигурността.

На въпроса "Какво е сила?" физиката отговаря по следния начин: „Силата е мярка за взаимодействието на материалните тела едно с друго или между телата и други материални обекти – физически полета.“ Всички сили в природата могат да бъдат класифицирани в четири основни типа взаимодействия: силни, слаби, електромагнитни и гравитационни. Нашата статия говори за това какво представляват гравитационните сили - мярка за последния и, може би, най-разпространения вид на тези взаимодействия в природата.

Да започнем с гравитацията на земята

Всеки жив знае, че има сила, която привлича предметите към земята. Обикновено се нарича гравитация, гравитация или гравитация. Благодарение на неговото присъствие хората имат понятията „горе“ и „долу“, които определят посоката на движение или местоположението на нещо спрямо земната повърхност. Така че в конкретен случай на повърхността на земята или близо до нея се проявяват гравитационни сили, които привличат обекти с маса един към друг, проявявайки своето действие на всяко разстояние, както малко, така и много голямо, дори по космически стандарти.

Гравитацията и третият закон на Нютон

Както е известно, всяка сила, ако се разглежда като мярка за взаимодействие на физически тела, винаги се прилага към едно от тях. Така че при гравитационното взаимодействие на телата едно с друго всяко от тях изпитва такива видове гравитационни сили, които са причинени от влиянието на всяко от тях. Ако има само две тела (приема се, че действието на всички останали може да се пренебрегне), тогава всяко от тях, съгласно третия закон на Нютон, ще привлече другото тяло със същата сила. Така че Луната и Земята се привличат една друга, което води до приливи и отливи на земните морета.

Всяка планета в Слънчевата система изпитва няколко гравитационни сили от Слънцето и други планети. Разбира се, гравитационната сила на Слънцето е тази, която определя формата и размера на орбитата му, но астрономите отчитат влиянието и на други небесни тела при изчисленията на траекториите на тяхното движение.

Кое ще падне по-бързо на земята от високо?

Основната характеристика на тази сила е, че всички обекти падат на земята с еднаква скорост, независимо от тяхната маса. Някога, чак до 16 век, се е смятало, че всичко е точно обратното - по-тежките тела трябва да падат по-бързо от по-леките. За да разсее това погрешно схващане, Галилео Галилей трябваше да извърши известния си експеримент за едновременно пускане на две гюлета с различно тегло от наклонената кула в Пиза. Противно на очакванията на свидетели на експеримента, двете ядра достигат повърхността едновременно. Днес всеки ученик знае, че това се дължи на факта, че гравитацията придава на всяко тяло същото ускорение на свободно падане g = 9,81 m / s 2, независимо от масата m на това тяло, а стойността му според втория закон на Нютон е равна към F = mg.

Гравитационните сили на Луната и на други планети имат различни стойности на това ускорение. Естеството на действието на гравитацията върху тях обаче е същото.

Гравитация и телесно тегло

Ако първата сила се прилага директно към самото тяло, то втората към неговата опора или окачване. В тази ситуация върху телата винаги действат еластични сили от опорите и окачванията. Гравитационните сили, приложени към същите тела, действат спрямо тях.

Представете си тежест, окачена над земята с пружина. Към него са приложени две сили: еластичната сила на опънатата пружина и силата на гравитацията. Според третия закон на Нютон товарът действа върху пружината със сила, равна и противоположна на еластичната сила. Тази сила ще бъде неговата тежест. Товар с тегло 1 kg има тегло, равно на P = 1 kg ∙ 9,81 m/s 2 = 9,81 N (нютон).

Гравитационни сили: определение

Първата количествена теория за гравитацията, базирана на наблюдения на движението на планетите, е формулирана от Исак Нютон през 1687 г. в неговите известни „Принципи на естествената философия“. Той пише, че гравитационните сили, които действат върху Слънцето и планетите, зависят от количеството материя, което съдържат. Те се разпространяват на големи разстояния и винаги намаляват като реципрочна стойност на квадрата на разстоянието. Как можем да изчислим тези гравитационни сили? Формулата за силата F между два обекта с маси m 1 и m 2, разположени на разстояние r е:

• F=Gm 1 m 2 /r 2,
  където G е константа на пропорционалност, гравитационна константа.

Физически механизъм на гравитацията

Нютон не беше напълно доволен от своята теория, тъй като тя предполагаше взаимодействие между привличащи се тела на разстояние. Самият велик англичанин беше сигурен, че трябва да има някакъв физически агент, отговорен за прехвърлянето на действието на едно тяло към друго, което той съвсем ясно посочи в едно от своите писма. Но времето, когато беше въведено понятието гравитационно поле, което прониква в цялото пространство, дойде само четири века по-късно. Днес, говорейки за гравитация, можем да говорим за взаимодействие на всяко (космическо) тяло с гравитационното поле на други тела, чиято мярка са гравитационните сили, възникващи между всяка двойка тела. Законът за всемирното притегляне, формулиран от Нютон в горната форма, остава верен и се потвърждава от много факти.

Теория на гравитацията и астрономия

Той беше много успешно приложен за решаване на проблеми на небесната механика през 18-ти и началото на 19-ти век. Например математиците Д. Адамс и В. Льо Верие, анализирайки смущенията в орбитата на Уран, предполагат, че той е обект на гравитационни сили на взаимодействие с все още неизвестна планета. Те посочиха очакваното му положение и скоро Нептун беше открит там от астронома И. Гале.

Все пак имаше един проблем. Льо Верие през 1845 г. изчислява, че орбитата на Меркурий прецезира с 35" на век, за разлика от нулевата стойност на тази прецесия, получена от теорията на Нютон. Последвалите измервания дадоха по-точна стойност от 43". (Наблюдаваната прецесия всъщност е 570"/век, но внимателно изчисление за изваждане на влиянието от всички други планети дава стойност от 43".)

Едва през 1915 г. Алберт Айнщайн успява да обясни това несъответствие в рамките на своята теория за гравитацията. Оказа се, че масивното Слънце, както всяко друго масивно тяло, огъва пространство-времето в близост до него. Тези ефекти причиняват отклонения в орбитите на планетите, но на Меркурий, като най-малката планета и най-близо до нашата звезда, те са най-силно изразени.

Инерционни и гравитационни маси

Както беше отбелязано по-горе, Галилей беше първият, който забеляза, че обектите падат на земята с еднаква скорост, независимо от тяхната маса. Във формулите на Нютон понятието маса идва от две различни уравнения. Неговият втори закон гласи, че сила F, приложена към тяло с маса m, дава ускорение съгласно уравнението F = ma.

Въпреки това, силата на гравитацията F, приложена към тяло, удовлетворява формулата F = mg, където g зависи от другото тяло, взаимодействащо с въпросното (обикновено земята, когато говорим за гравитация). И в двете уравнения m е коефициент на пропорционалност, но в първия случай е инерционна маса, а във втория е гравитационна маса и няма очевидна причина те да са еднакви за всеки физически обект.

Всички експерименти обаче показват, че това наистина е така.

Теорията на Айнщайн за гравитацията

Като отправна точка за своята теория той взема факта за равенството на инертните и гравитационните маси. Той успя да конструира уравненията на гравитационното поле, известните уравнения на Айнщайн, и с тяхна помощ да изчисли правилната стойност за прецесията на орбитата на Меркурий. Те също така дават измерена стойност за отклонението на светлинните лъчи, които преминават близо до Слънцето, и няма съмнение, че дават правилните резултати за макроскопичната гравитация. Теорията на Айнщайн за гравитацията или общата теория на относителността (ОТО), както я нарича той, е един от най-големите триумфи на съвременната наука.

Гравитационните сили ускорение ли са?

Ако не можете да различите инерционната маса от гравитационната маса, тогава не можете да различите гравитацията от ускорението. Вместо това експериментът с гравитационното поле може да се извърши в ускоряващ асансьор в отсъствие на гравитация. Когато астронавт в ракета се ускорява от земята, той изпитва сила на гравитация, която е няколко пъти по-голяма от земната, като по-голямата част от нея идва от ускорение.

Ако никой не може да различи гравитацията от ускорението, тогава първото винаги може да бъде възпроизведено чрез ускорение. Система, в която ускорението замества гравитацията, се нарича инерционна. Следователно Луната в околоземна орбита също може да се разглежда като инерциална система. Тази система обаче ще се различава от точка до точка, тъй като гравитационното поле се променя. (В примера с Луната гравитационното поле променя посоката си от една точка към друга.) Принципът, че винаги може да се намери инерционна система във всяка точка на пространството и времето, в която физиката се подчинява на законите при липса на гравитация, се нарича принцип на еквивалентност.

Гравитацията като проява на геометричните свойства на пространство-времето

Фактът, че гравитационните сили могат да се разглеждат като ускорения в инерционни координатни системи, които се различават от точка до точка, означава, че гравитацията е геометрична концепция.

Казваме, че пространство-времето е извито. Помислете за топка върху равна повърхност. Той ще почива или, ако няма триене, ще се движи равномерно при липса на каквито и да е сили, действащи върху него. Ако повърхността е извита, топката ще се ускори и ще се придвижи до най-ниската точка, поемайки по най-краткия път. По подобен начин теорията на Айнщайн гласи, че четириизмерното пространство-време е извито и тялото се движи в това извито пространство по геодезическа линия, която съответства на най-късия път. Следователно гравитационното поле и действащите в него гравитационни сили върху физическите тела са геометрични величини, които зависят от свойствата на пространство-времето, които се променят най-силно в близост до масивни тела.