Grawitacja jest jednym z najbardziej tajemniczych zjawisk fizycznych. O żadnym innym zjawisku nie mówiło się, nie pisano, nie broniono rozpraw, nie zdobywano tytułów naukowych ani nie przyznawano Nagród Nobla, jak grawitacja.

Wszelkie idee są uwarunkowane historycznie. Czas zmienia zadania stojące przed społeczeństwem, a to z reguły wymusza zmianę wyobrażeń o pewnych zjawiskach. Zjawisko grawitacji nie jest wyjątkiem. Idea grawitacji wśród budowniczych egipskich piramid i wśród podróżników w przestrzeni kosmicznej nie może się różnić.

2.Newtonowskie rozumienie grawitacji

W Newtonowskiej teorii grawitacji grawitacja jest praktycznie całkowicie powiązana z siłą grawitacji lub siłą ciężaru. Istota grawitacji według Newtona polega na tym, że na ciało działa siła - grawitacja (w warunkach ziemskich nazywa się to zwykle siłą ciężaru). Źródło tej mocy - inne lub inne ciała. Tak naprawdę nie ma pola grawitacyjnego. Grawitacja to bezpośrednie oddziaływanie pomiędzy ciałami. To oddziaływanie jest określone przez prawo grawitacji Newtona. Nie ma specjalnej przestrzeni grawitacyjnej. Pole grawitacyjne ma charakter warunkowy i służy jedynie wygodzie obliczeń, za tym pojęciem nie kryje się żadna fizyka.

Na przykład w warunkach lądowych przy obliczaniu statycznych obciążeń konstrukcyjnych jest to wygodne i wizualne przedstawienie.

3.Zjawiska grawitacyjne we współczesnym świecie

Współczesny świat wykroczył daleko poza zakres zjawisk, w jakich ukształtowały się newtonowskie koncepcje grawitacyjne. Już na początku ubiegłego wieku Albert Einstein zwracał uwagę na fakt, że nawet zjawiska zachodzące w zwykłej windzie nie do końca pokrywają się z ideami Newtona. To, a także moda na relatywizm, doprowadziły go do nowego rozumienia grawitacji, co znalazło odzwierciedlenie w tak zwanej Ogólnej Teorii Względności.

Obecnie powszechnie przyjmuje się, że GTR jest grawitacyjną teorią skal kosmologicznych i ruchów relatywistycznych. Natomiast w skali makro- i mezoświata, tj. w dziedzinie mechaniki ziemskiej, planetarnej (niebiańskiej) i astronautyki ogólna teoria względności nie ma sensu się posługiwać i teoria ta nie może wnieść niczego nowego. A jeśli tak, to tylko poprawki w niektórych bardzo dużych przybliżeniach. Dlatego skupimy się na bardziej szczegółowym rozważeniu koncepcji grawitacji Newtona.

Jednym z głównych zjawisk, które w ostatnich dziesięcioleciach stało się przedmiotem rozważań mechaniki, jest zjawisko nieważkości. Oczywiście zjawisko nieważkości występowało już wcześniej. Ale było to krótkotrwałe i nie zostało uznane za jakieś specjalne zjawisko mechaniczne. Kamień spada z Krzywej Wieży w Pizie i cóż, spada. Jaka tu jest nieważkość. Ale rozwój astronautyki wysunął na pierwszy plan zjawisko nieważkości i zdano sobie sprawę z jego wysokiego znaczenia. Nieważkość stopniowo wchodzi do kategorii czynników produkcyjnych i technologicznych.

Wracając jednak do koncepcji mechaniki Newtona, nagle odkrywamy, że ta koncepcja w mechanice Newtona w rzeczywistości nie istnieje. Według koncepcji Newtona siła grawitacji jest powiązana z grawitacją. Ale nagle okazało się, że wcale tak nie było. Pokażmy to.

Wyobraźmy sobie spadochroniarza w samolocie, zanim rzuci się w niebo. Stoi przed drzwiami i znajduje się w polu grawitacyjnym, działa na niego siła ciężaru. Oblicza się to według Newtona. Ale teraz robi krok za drzwiami i staje się jasne, że pole grawitacyjne się nie zmieniło. Siła ciężaru również nie mogła się zmienić. Ale spadochroniarz przeszedł w stan nieważkości i stracił na wadze, a siła grawitacji nagle zniknęła. Ale pole grawitacyjne nie zniknęło, pozostaje takie samo, jak było. Jest zatem oczywiste, że ciężar wewnątrz samolotu nie był powiązany z grawitacją.

Czasami mówią, że siła ciężaru wcale nie zniknęła, ale pojawiła się (fikcyjna) siła bezwładności, która zrównoważyła siłę grawitacji, ponieważ spadochroniarz zaczął poruszać się szybciej. Dlatego sam spadochroniarz nie odczuwa żadnej siły ciężaru.

Zgadza się, w układzie odniesienia np. panelu sędziowskiego znajdującego się na ziemi, spadochroniarz porusza się z przyspieszoną prędkością. Ale wyobraźmy sobie, że fotoreporter wyskakuje wraz ze spadochroniarzem, filmując lot i działania spadochroniarza. A w stosunku do tego fotografa spadochroniarz może poruszać się w górę, w dół lub stać w miejscu. A gdzie w takim razie słynna siła bezwładności związana z przyspieszonym ruchem spadochroniarza? W jaki sposób rzeczywista siła, będąca rzekomo siłą grawitacji, może zostać zrównoważona przez fikcyjną siłę bezwładności związaną z przyspieszeniem, skoro przyspieszenie może mieć bardzo różny charakter w zależności od obserwatora lub może być całkowicie nieobecne? Jeśli przyjąć, że ziemski sądowy układ odniesienia jest bardziej „poprawny” niż układ odniesienia fotoreportera, to trzeba wykazać, że aparaty sędziego, jego zegarki czy dalmierze są lepsze od fotoreportera.

Ponieważ nie da się tego udowodnić, musimy przyznać, że siły bezwładności są fikcją, a zatem siły ciężkości, siły ciężaru i w ogóle wszystkie siły grawitacyjne są fikcją, po prostu nie istnieją.. A spadochroniarz w bezpłatny spadek porusza się precyzyjnie bezpłatny, tj. bez wpływu jakichkolwiek sił na nią (zaniedbujemy wpływ atmosfery).

Co więc stało się ze spadochroniarzem, kiedy wypadł za burtę samolotu? I wcale nim nie jest załadowany siebie jako tajemniczą fikcyjną siłę bezwładności, równoważącą siłę grawitacji. Nie, wręcz przeciwnie, pozbył się jedynej realnej siły, która na niego działała. Siła ta pochodziła ze wspornika, z podłogi samolotu. A kiedy się z tego uwolnił, wychodząc o krok poza płaszczyznę, stał się nieważki, stał się bezpłatny, wszelkie siły przestały na niego działać.

Zatem nie ma sił grawitacyjnych. Na człowieka, na kamień na ziemi, na astronautę podczas aktywnej części lotu od strony podpory działają siły. Jeśli usuniesz podporę, osoba lub kamień stanie się wolna i nieważka. Ale siły działające od strony podparcia na osobę lub kamień nie są grawitacyjne. Są to zwykłe siły sprężyste o charakterze elektrycznym lub szerzej elektromagnetycznym. Z kolei ciało ludzkie (podeszwa) lub kamień ma elastyczność i pojawi się siła przeciwna skierowana od podeszew lub kamienia na podporę. I ta siła ma również naturę elektromagnetyczną. Gdzie są siły grawitacyjne? Nie widzimy ich. Nie ma żadnego z nich.

Oto centralne, główne, fundamentalne stwierdzenie, które wynika z kosmicznego doświadczenia ludzkości: nie ma sił grawitacyjnych. Zapiszmy to dużymi literami i na tym fundamencie zacznijmy tworzyć nową mechanikę, mechanikę ery kosmicznej.

4. Natura grawitacji w świetle doświadczeń i idei astronautyki

Ale jeśli nie ma sił grawitacyjnych, nie ma grawitacji, to wtedy nie ma grawitacji? Nie, to nie prawda. Grawitacja oczywiście istnieje...

Ale jego natura jest zupełnie inna. Nie jest to wcale oddziaływanie siłowe pomiędzy ciałami. Nie ma oddziaływania siłowego pomiędzy Słońcem a Ziemią, pomiędzy Ziemią a Księżycem, pomiędzy Ziemią a statkiem kosmicznym, pomiędzy Ziemią a kamieniem na jej powierzchni.

Grawitacja jest własnością. Właściwość ta polega na zmianie charakteru przestrzeni wokół ciała grawitującego. Każde ciało jest otoczone pewną aureolą, aureolą zmienionej przestrzeni. Ciało niesie ze sobą tę aureolę niczym aureolę wokół głowy świętego lub atmosfery, jonosfery, magnetosfery wokół Ziemi i ta aureola nie może oderwać się od ciała w „samodzielnym pływaniu”. Jest na zawsze przywiązany do ciała i porusza się wraz z nim.

Tutaj możemy od razu porównać właściwości tego halo z właściwościami pola elektromagnetycznego. Elektromagnetyzm ma dwa ładunki, dodatni i ujemny. Załóżmy, że mamy elektrycznie obojętny atom lub cząsteczkę. Nie ma wtedy pola elektrycznego, nie ma halo elektromagnetycznego. Ale nagle wyleciała z niego cząstka naładowana dodatnio lub ujemnie. Stało się jonem, ciałem naładowanym elektrycznie i wokół niego powinno pojawić się odpowiednie halo - pole elektryczne. Nie było tego, ale teraz powinno być. I tu pojawia się pytanie: z jaką prędkością będzie rozprzestrzeniać się w przestrzeni to pole powstałe z nieistnienia? Jest oczywiste, że pole nie może zostać ustanowione natychmiast w całej przestrzeni. Będzie się oddalać od atomu, przemieszczając się coraz dalej. Widzimy, że pole elektromagnetyczne ma krótki zasięg, w zasadzie może oderwać się od źródeł pola i ma określoną prędkość propagacji. A wynika to wyłącznie z istnienia dwóch rodzajów ładunków elektrycznych. Dokładniej, ze zmianą momentu dipolowego, dla którego nie ma prawa zachowania. Pole elektromagnetyczne ma powiązany prędkość propagacji związana z ruchem źródeł pola, ciał naładowanych, na przykład podczas ruchu ładunku elektrycznego lub magnesu oraz autonomiczny prędkość propagacji niezwiązana z ruchem ciał materialnych, która jest stałą uniwersalną - prędkość światła.

W przeciwieństwie do elektromagnetyzmu, grawitacja jest kojarzona ze źródłami tego samego znaku. To źródło grawitacji, ładunek grawitacyjny, nazywany jest masą. Jest on zawsze dodatni i istnieje na to prawo zachowania... Co więcej, nawet dla masowego momentu dipolowego istnieje prawo zachowania - jest to w istocie prawo zachowania środka masy. Dlatego pole grawitacyjne nie może powstać skądkolwiek. W wyniku ruchu mas może ono zostać w jakiś sposób odkształcone, a im dalej od tych mas znajduje się punkt obserwacji pola grawitacyjnego, tym więcej czasu potrzeba, aby efekt zmiany pola został wykryty. A w wystarczającej odległości od ograniczonego układu mas można go ogólnie uznać za pojedynczą niepodzielną masę punktową; wewnętrzne ruchy w wystarczającej odległości nie mogą zmienić punktowego charakteru tego pola. A przy jeszcze większej odległości pole grawitacyjne zupełnie zanika i w żaden sposób nie jesteśmy w stanie go wykryć. Obliczmy formalnie wielkość pola grawitacyjnego Ziemi w innej galaktyce. Ale oczywiste jest, że jest to artefakt czysto teoretyczny. Wynika to bezpośrednio z braku notorycznego fale grawitacyjne, tj. oddzielone od źródeł pól grawitacyjnych. Nie ma pól grawitacyjnych bez źródeł. To właśnie w elektromagnetyzmie emitowana fala elektromagnetyczna traci wszelkie połączenie ze źródłem i powstaje „bezźródłowe” pole elektromagnetyczne. I to jest podstawowa różnica między polem elektromagnetycznym. Może działać na dowolną odległość. W ten sposób w naszych teleskopach optycznych i radiowych pola elektromagnetyczne są odbierane i oddziałują na odbiorniki, których źródło leży w niewyobrażalnej odległości, miliony i miliardy lat świetlnych stąd. Pole elektromagnetyczne - jest to pole o nieograniczonym zasięgu działania, w odróżnieniu od przestrzennie ograniczonego pola grawitacyjnego.

Należy również zauważyć, że istnienie fal grawitacyjnych poddaje w wątpliwość zasadę Galileusza i samo istnienie inercjalnych układów odniesienia, a to już prowadzi do katastrofalnych konsekwencji dla całej mechaniki teoretycznej.

5.Własności grawitacyjne przestrzeni

Zdefiniujmy pojęcie bezpłatny ciała. Ciało wolne nazwiemy ciałem, do którego nie działają żadne siły. Przypominamy wam i będziemy przypominać wielokrotnie, że rozumiemy jedynie wpływy natury elektromagnetycznej. Siły jądrowe i inne siły mikro-nano-femto nie są warte uwzględnienia. I nazwiemy ciała, na które działają siły (siły sprężystości, siły reaktywne i inne siły o charakterze elektromagnetycznym) nie darmowy.

Zdefiniujmy pojęcie inercyjny systemy referencyjne. Inercyjny układ odniesienia to układ odniesienia, w którym swobodne ciała poruszają się równomiernie i prostoliniowo lub pozostają w spoczynku. Nazwiemy inne układy odniesienia nieinercyjny. Należy pamiętać, że jeśli mamy inercjalny układ odniesienia, to możemy wprowadzić dowolną liczbę różnych nieinercjalnych układów odniesienia, na przykład obrotowych, oscylacyjnych itp.

Zdefiniujmy teraz to pojęcie Galileew przestrzeń. Galileusza nazwiemy przestrzenią, w której można wprowadzić inercjalny układ odniesienia. Nie w każdej przestrzeni można wprowadzić inercjalny układ odniesienia. Jeżeli w przestrzeni nie da się wprowadzić inercjalnego układu odniesienia, wówczas taka przestrzeń zostanie nazwana nie-galilejskim.

A teraz jesteśmy gotowi do sformułowania własności grawitacyjnej. Właściwość grawitacyjna polega na tym, że w pobliżu ciała znajduje się obszar niegalileuszowy. W tym obszarze nie jest możliwe wprowadzenie takiego układu odniesienia, aby ciała swobodne poruszały się w nim ruchem jednostajnym i prostoliniowym lub znajdowały się w spoczynku.

Ruchy ciał swobodnych będziemy nazywać naturalne ruchy. Tam, gdzie nie ma grawitacji, są naturalne ruchy Móc mają prosty i jednolity wygląd. A grawitacja prowadzi do tego, że naturalne ruchy Nie mogę mają jednolity i prosty wygląd. W przestrzeni grawitacyjnej naturalne ruchy są znacznie bardziej złożone. Mogą to być ruchy po okręgach, elipsach, parabolach, hiperbolach, a nawet bardziej złożone i skomplikowane trajektorie. Wyraźnie to pokazują najbardziej złożone trajektorie międzyplanetarnego statku kosmicznego w locie swobodnym. Dlaczego tak jest - Nie wiemy, nie budujemy hipotez, ale przyjmujemy to jako daną nam rzeczywistość.

Zatem teraz możemy odpowiedzieć na wszystkie postawione powyżej pytania w świetle kosmicznego doświadczenia.

1. Dlaczego astronauta znajduje się w stanie nieważkości na statku kosmicznym orbitalnym? Odpowiedź: nie dlatego, że w jakiś cudowny sposób siły grawitacyjne równoważą się z mitycznymi siłami bezwładności. I z tego prostego powodu, że jest wolny, nie wywierają na niego żadnego wpływu bez siły.

2. Dlaczego, jeśli jest swobodny, porusza się nie po linii prostej, ale po okręgu? Odpowiedź: ponieważ znajduje się w polu grawitacyjnym, w niegalilejskim rejonie Ziemi, w którym ruch ciał swobodnych jest bardziej złożony, w tym ruch po okręgu.

3.Dlaczego Ziemia porusza się po okręgu? Odpowiedź: Ziemia jest ciałem swobodnym. Nie działają na nią żadne siły. Ale znajduje się w obszarze innym niż galilejski (w polu grawitacyjnym) Słońca. A swobodny ruch Ziemi jest ruchem naturalnym - ruch po okręgu.

4. Jakie siły działają na kamień na powierzchni Ziemi? Jednym z naturalnych ruchów kamienia w pobliżu Ziemi jest przyspieszony spadek w jego środek. Jednak powierzchnia Ziemi zapobiega temu naturalnemu ruchowi, przykładając do kamienia siłę skierowaną w górę, przeciwnie do kierunku naturalnego ruchu kamienia.Siła ta nie jest grawitacyjna, ale zwyczajna siła sprężystości, tj. charakter elektromagnetyczny. Naturalnie, zgodnie z trzecim prawem Newtona, kamień działa na swoje podparcie z tą samą siłą, ale w dół. Jeśli nagle podpora zniknie lub straci swoją twardość, kamień rozpocznie naturalny ruch w dół, w kierunku środka Ziemi.

Należy pamiętać, że zwykle siła skierowana jest od kamienia do podpory - powaga - uważa się za siłę aktywną, a siłę od podpory do kamienia - siła reakcji. Naszym zdaniem pojęcia siły czynnej i siły reakcji zamieniły się miejscami. Aktywowała się siła działająca na ciało, siła reakcji - siła przekazywana od ciała do podpory. Jest to bardziej zgodne z logiką mechaniczną. Aktywna to siła, którą można kontrolować, a pasywna to siła reakcji. - jest to siła, która pojawia się w odpowiedzi, automatycznie. Siłę podparcia możemy łatwo kontrolować. Podporę można usunąć, można ją uczynić twardszą, bardziej miękką itp. A siła z kamienia na podporę powstaje automatycznie. Na przykład, gdy kamień leży na dłoni, jest to podpora, którą możemy manipulować - trzymać kamień, rzucić nim itp. A wpływ kamienia na dłoń będzie wtórny, wzajemny. Aktywną rolę odgrywa dłoń, a nie kamień.

6. Lokalna własność galilejska przestrzeni niegalilejskiej

Pole grawitacyjne ma unikalną właściwość, która wyraźnie odróżnia je od pola elektromagnetycznego. Najbardziej zaskakujące jest to, że ta właściwość nie została jeszcze teoretycznie opanowana przez współczesną mechanikę teoretyczną, chociaż w praktyce jest bardzo szeroko stosowana, szczególnie w astronautyce.

Jeśli istnieje pole elektromagnetyczne, to istnieje i żadne przekształcenia układów odniesienia nie są w stanie go wyeliminować. Jego składowe, elektryczne lub magnetyczne, mogą ulegać wzajemnej przemianie, jednak w obszarze przestrzeni wypełnionym polem elektromagnetycznym jest ono obecne w dowolnym punkcie i układzie odniesienia, dla każdego obserwatora. Ma niezmiennik.

Ale w polu grawitacyjnym mamy coś zupełnie innego. Okazuje się, że pole grawitacyjne, tj. obszar przestrzeni niegalilejskiej jest jednocześnie lokalnie galileuszowy w każdym punkcie. Innymi słowy, możliwe jest wykluczenie pola grawitacyjnego w dowolnym punkcie, a nawet w całym sąsiedztwie. Wynika to z głównego prawa grawitacji: w sąsiedztwie dowolnego wolnego ciała znajduje się obszar galilejski. Region ten może być duży, globalny, jeśli ciało swobodne znajduje się w przestrzeni galilejskiej, lub lokalny, ograniczony, jeśli samo ciało znajduje się w niegalilejskiej przestrzeni grawitacyjnej.

W ten sposób dochodzimy do najważniejszej właściwości pola grawitacyjnego: pole grawitacyjne nie jest absolutne, ale względne. W dowolnym punkcie pola grawitacyjnego można wprowadzić układ odniesienia, w sąsiedztwie którego on nie istnieje.

Do tej pory ten najważniejszy, centralny moment ciężkości nie został sformułowany w teorii mechanicznej. Ale w praktyce jest on stosowany bardzo szeroko. Przykładowo, choć Ziemia znajduje się w niegalilejskim obszarze Słońca, gdyż jest ciałem swobodnym, to w jej bezpośrednim sąsiedztwie znajduje się obszar galilejski, w którym można pominąć wpływ Słońca. A jeśli Ziemia ma własne pole grawitacyjne, to w tym sąsiedztwie nakłada się ono nie na pole Słońca, ale na galileuszową przestrzeń wolną od grawitacji i możemy obliczyć wszystkie ruchy w tym sąsiedztwie tak, jakby sama Ziemia była w Przestrzeń galilejska, a Słońce w ogóle nie istnieje. Księżyc znajduje się w pozagalilejskim obszarze Słońca i Ziemi, natomiast w pobliżu Księżyca możemy brać pod uwagę jedynie pole Księżyca. Statek kosmiczny na orbicie znajduje się w niegalilejskim obszarze Słońca, Ziemia i Księżyc. Ale mając swobodny ruch orbitalny wewnątrz samej stacji, możemy uznać przestrzeń Galileuszową (własne pole grawitacyjne masy stacji jest znikome) i możemy w niej wprowadzić inercyjny układ odniesienia, w którym spełniona jest zasada Galileusza. Co więcej, dotyczy to nie tylko przestrzeni wewnętrznej stacji, ale także jej bezpośredniego otoczenia zewnętrznego. Pozwala to na wykorzystanie mechaniki inercyjnych układów odniesienia podczas dokowania z innym statkiem na bliskie odległości i nawet nie uwzględniania samego istnienia Ziemi i jej pola grawitacyjnego. To znacznie upraszcza obliczenia ruchów i kontroli. Jednocześnie w miarę oddalania się od stacji niegalileuszowa charakterystyka otaczającej przestrzeni staje się coraz bardziej znacząca, ze względu jedynie na jej lokalną galilejność. Dlatego podczas dokowania na „odległych granicach” należy wziąć pod uwagę pole grawitacyjne Ziemi, ale pole Słońca i Księżyca można zignorować. Niestety istniejąca mechanika nie zapewnia narzędzi umożliwiających uwzględnienie pola grawitacyjnego Ziemi w układzie odniesienia statku kosmicznego i kalkulatory muszą przestawiać się na układ odniesienia Ziemi, co oczywiście nie jest wygodne.

Widzimy więc, jak ważne jest praktyczne znaczenie zasady lokalnej galileuszowości przestrzeni niegalilejskiej. A teorii mechanicznej, w której ta zasada nie ma zastosowania, nie można uznać za odpowiednią do zastosowania w astronautyce. Ale w mechanice Newtona ta zasada nie istnieje. W mechanice tej pole grawitacyjne rozpatrywane jest jedynie globalnie, z reguły w jednym dedykowanym „kopernikańskim” układzie odniesienia - układ odniesienia środka masy. Nazwaliśmy ten układ odniesienia kopernikańskim, gdyż zaszczyt odkrycia „głównych”, wyróżnionych układów odniesienia słusznie należy do Kopernika. Ale astronautyka wymaga odejścia od paradygmatu Kopernika i takie odejście stale ma miejsce w obliczeniach nawigacji kosmicznej. Stosowanie lokalnych układów odniesienia jest odrzuceniem paradygmatu kopernikańskiego globalizmu w opisie pól grawitacyjnych. Dlatego nową mechanikę można nazwać nienewtonowską i niekopernikańską, a może bardziej trafnie, neooptolemejską.

Zauważmy jeszcze raz, że w mechanice związanej ze zjawiskami mechanicznymi na powierzchni Ziemi podejście Newtona jest dość wygodne i skuteczne, co pokazuje cały rozwój mechaniki na przestrzeni wieków. Ale w astronautyce takie podejście powoduje ogromne trudności, o których mówiliśmy powyżej. A nowe podejście maksymalnie odsłania logikę procesów mechanicznych w przestrzeni, otwiera możliwość prostszego rozwiązania znanych problemów i sformułowania nowych.

7. Ciężar jako podstawowe pojęcie mechaniki

Pokazaliśmy, że w wielu zagadnieniach mechaniki, zwłaszcza w zagadnieniach mechaniki niebieskiej, siły zanikają. Wszakże mechanika niebieska uwzględnia przede wszystkim ciała niebieskie swobodne, tj. ciała, na które nie działają żadne siły.

Jak wiadomo, w mechanice Newtona pojęcie siły jest pojęciem podstawowym, podstawowym. W mechanice nie jest to nawet zdefiniowane, ale jest zaczerpnięte z innych nauk, na przykład fizyki. Tak jak pojęcie odległości nie jest w mechanice zdefiniowane, tak jest dla niej fundamentalne i zaczerpnięte z geometrii.

Oczywiste jest, że pożądane jest wykorzystanie najważniejszych i najczęściej używanych cech jako pojęć podstawowych w aksjomatycznej konstrukcji teorii. Paradoks polega jednak na tym, że w różnych wielkoskalowych obszarach świata mechanicznego stają się takie różne cechy.

Przykładowo mechanika Newtona najlepiej nadaje się do opisu zjawisk makromechaniki, tj. zjawiska mechaniczne o skali porównywalnej do wielkości człowieka. I tutaj siła jest pojęciem niezwykle ważnym i jej użycie jako pojęcia podstawowego jest w pełni uzasadnione. Rzeczywiście wyraźnie widzimy siłę konia ciągnącego wóz z drewnem na opał z napięcia w żyłach, widzimy siłę naciągu łuku i łatwo możemy sobie wyobrazić siłę działającą na nośniku maszyny parowej. Wreszcie, poprzez napięcie naszych mięśni i intensywny oddech, widzimy siłę ciężaru kłody, którą podnosimy.

Ale już w mikroświecie te siły stają się trudne do wyobrażenia. Na pierwszym miejscu są inne właściwości mechaniczne, takie jak energia i działanie. W związku z tym powstają nowe modele mechaniczne, teorie, znane pod ogólną nazwą „dynamiki analitycznej”. Są to mechaniki Lagrange'a, Hamiltona, Poincare'a itp. W istocie są to różne „języki” mechaniki, w których wygodnie jest opisać ich klasę, a przede wszystkim wielkoskalowy poziom zjawisk mechanicznych. Choć w zasadzie są one równoważne, tj. dają te same rozwiązania tego samego problemu, ale każdy język ma klasę problemów, które można w nim rozwiązać najłatwiej i najwyraźniej. Co więcej, rozszerzenie mechaniki na mikroświat, na dziedzinę kwantową, okazało się możliwe właśnie w tych nowych językach „energetycznych”, na przykład w języku Hamiltona, natomiast dla języka Newtona nigdy nie zbudowano rozszerzenia do domeny kwantowej . To już pokazuje, jak ważne jest tworzenie nowych języków mechanicznych. Bez budowania całej klasy takich języków na przełomie XIX i XX w - XX wieku niemożliwe byłoby stworzenie mechaniki mikrocząstek, a bez tego stworzenie całej technologii, która je wykorzystuje - elektronika, energia nuklearna itp. Takie jest znaczenie „języków mechanicznych”. Język newtonowski stał się podstawą rewolucji przemysłowej XVIII wieku oraz powstania maszyn i mechanizmów mechanicznych. Nienewtonowskie, energetyczne języki mechaniki posłużyły za podstawę do stworzenia w XX wieku teorii procesów mikromechanicznych, która to teoria stała się podstawą do powstania wszelkiej elektroniki, fizyki jądrowej, technologii laserowej i innych dziedzin techniki w dwudziestym wieku.

Astronautyka, która pojawiła się w połowie XX wieku, nadal posługuje się mechanicznym językiem Newtona, który został opracowany dla innych skal zjawisk mechanicznych. Nie nadaje się do astronautyki. Brak w tym języku tak centralnego pojęcia, jak nieważkość, a tym bardziej „ciężar”, powszechne używanie w nauce tak brzydkich i niedopuszczalnych słów, jak „przeciążenie” (a czym jest „obciążenie”?) z jeszcze bardziej strasznymi zwrotami jak „ujemne przeciążenie”, „niedociążenie” itp. mówi samo za siebie. Kosmonautyka i w ogóle obszar megaświata potrzebuje własnego, bardziej adekwatnego języka. I oczywiste jest, że nie może już mieć miejsca używanie pojęcia „siła” jako podstawowego pojęcia tego języka. Potrzebna jest nowa fundamentalna koncepcja mechaniczna, w oparciu o którą należy zbudować nowy język mechaniki, bardziej adekwatny do zadań opisu kosmonautyki i megaświata.

Aby znaleźć tę nową podstawową koncepcję, przejdźmy do astronautyki. W astronautyce centralną koncepcją jest „nieważkość”.

Każdy z nas może z łatwością określić obecność nieważkości na podstawie obrazu telewizyjnego. Ale co to jest z punktu widzenia nauk mechanicznych? Oto tylko niektóre definicje nieważkości z najbardziej wiarygodnych źródeł.

Nieważkość- stan, w którym zanika siła oddziaływania ciała z podporą (pozorny ciężar ciała), powstająca w związku z przyciąganiem grawitacyjnym lub w związku z przyspieszeniem ciała. Czasami można usłyszeć inną nazwę tego efektu - mikrograwitacja.( Wikipedia).

Definicja jest po prostu niejasna. Co to jest „siła oddziaływania spowodowana przyspieszeniem”? W mechanice nie ma takiego pojęcia. Co to jest „waga pozorna”? Niedopuszczalne jest mylenie mikrograwitacji z nieważkością. To są różne koncepcje.

Nieważkość to stan, w którym siły grawitacyjne działające na ciało nie powodują wzajemnego nacisku jego części na siebie ( Słownik astronomiczny na stronie internetowej Instytutu Badań Kosmicznych Rosyjskiej Akademii Nauk).

Ogólnie nie jest jasne, dlaczego nagle „wzajemne ciśnienia” wewnątrz ciała znikają w przestrzeni lub u skoczka spadochronowego podczas skoku? Co, ciśnienie w jego sercu spada albo zawór nie naciska już na swoje gniazdo. A może ciśnienie wewnętrzne w cieczy zanika, tworząc kuliste krople przy zerowej grawitacji? Jak możemy ustalić, czy te wzajemne ciśnienia są powiązane z siłami grawitacyjnymi, czy nie? Czy odpowiada to obrazowi telewizyjnemu ze statku kosmicznego? Nawet najbardziej niepiśmienny człowiek natychmiast powie, że nieważkość - to coś zupełnie innego, a tym bardziej sami astronauci.

Nieważkość, - stan ciał poza siłami grawitacji (Słownik pisowni rosyjskiej Rosyjskiej Akademii Nauk).

Definicja może wywołać tylko uśmiech. Ale twórcy słownika- lingwiści - Sami na to nie wpadli, ale zapewne skorzystali z porad specjalistów z Akademii Nauk.

Nieważkość- stan ciała materialnego, w którym działające na nie siły zewnętrzne lub ruch, jaki ono wykonuje, nie powodują wzajemnego nacisku cząstek na siebie ( Wielka encyklopedia radziecka).

Porównaj jako „siły” i „wykonane ruchy” w jednym rzędzie - to coś poza mechaniką. Należy również zauważyć, że we wszystkich definicjach występuje termin „stan”, chociaż w mechanice nie ma pojęcia „stan”.

Zatem centralna koncepcja astronautyki - Nie ciężar - we współczesnej mechanice nie ma on w ogóle poprawnego opisu. Można odnieść wrażenie, że dla mechaniki teoretycznej istnieje „terra incognito”, które wdarło się w sferę rzeczywistej praktyki mechanicznej, ale w teorii nie ma dla niego miejsca. Dlatego wymyślają, co im się podoba.

Ale jeśli istnieje „nieważkość”, to musi istnieć również „ważność”, której brak powoduje „nieważkość”. Takie są wymagania logiki naukowej, prawa konstruowania języków nauki.

Aby zbudować nowy język, postulujemy istnienie nowego pojęcia mechaniki - koncepcje " stan mechaniczny obiektu mechanicznego" Pojęcie to nie istnieje w mechanice Newtona. Jest to nowa koncepcja koncepcyjna nowego języka. I odpowiednio” ciężar" Jest charakterystyka stanu mechanicznego ciała. A nieważkość jest szczególnym, szczególnym przypadkiem ciężkiego stanu, ciężkiego stanu bez ciężaru.

Pozostaje scharakteryzować pojęcie ciężaru. Przyjmujemy, że w nowym języku mechaniki masa jest sprawą fundamentalną, niewykrywalny w samym języku, pojęcie, które zastępuje podstawowe pojęcie siły w języku Newtona. Ciężar jest wektorem przyłożonym do samego ciała i poruszającym się wraz z ciałem.

Nie możemy zdefiniować pojęcia wagi w samym języku, ale możemy podać opis urządzeń mierzących tę wielkość. Nazwiemy te mierniki wagi „ wagiomierze" Okazuje się, że wagiomierze znajdują szerokie zastosowanie w technice, a przede wszystkim w astronautyce. Mają po prostu dziwną nazwę.” akcelerometry", tj. mierniki przyspieszenia. Oczywiste jest, że ciężarek na sprężynie nie jest w stanie zmierzyć żadnego przyspieszenia (dlatego akademik Ishlinsky zaproponował dla tych urządzeń nazwę „newtonometry”, co jest lepsze, ale nie do końca). Nie mierzy charakterystyki kinematycznej - przecież ta ostatnia wielkość jest względna i zależy od układu odniesienia i obserwatora, czyli od charakterystyki stanu mechanicznego obiektu. Istnieje inna nazwa wagomierzy - to jest imię" grawimetry", który jest stosowany w grawimetrii. W każdym razie jest to lepsze niż akcelerometr. Jednocześnie zauważamy, że ludzie (i inne zwierzęta) mają narząd zmysłów - narząd szóstego zmysłu - na który składa się cały zestaw wagomierzy. Ten narząd zmysłu - aparat przedsionkowy - zlokalizowane w uchu wewnętrznym człowieka. Same wagi fizjologiczne mają jakąś nazwę medyczną, ale mechanicznej nie mają, bo teoretycy mechaniki nie mieli odwagi nazwać tych wewnętrznych wag fizjologicznych akcelerometrami, byłoby to za dużo raniły mnie uszy.

A połączenie mechaniki neooptolemejskiej z mechaniką newtonowską dokonuje się poprzez tę koncepcję wytrzymałość. Ale teraz siła jest już pojęciem wtórnym, pochodnym. Siła jest wielkością wektorową proporcjonalną do iloczynu modułu grawitacji i masy ciała i antywspółliniową do wektora grawitacji.

Tutaj M- waga, W- wektor wagi, F- wektor siły. Przypomnijmy jeszcze raz, że są to siły tylko elektromagnetyczne, nie ma grawitacyjnych. Ponieważ na kamień działa siła nośna skierowana w górę, ciężar ciał na Ziemi jest skierowany w dół.

Stąd od razu widać, że z punktu widzenia mechaniki Newtona ciężar jest określoną siłą, tj. siła na jednostkę masy, chociaż zorientowana w kierunku przeciwnym do wektora siły.

I wreszcie nie jest to już tylko definicja siły, ale znaczący aksjomat mechaniki zawarty w trzecim prawie Newtona: siła reakcji jest równa sile czynnej, ale jest skierowana w przeciwnym kierunku.

Podano związek pomiędzy ruchem a stanem mechanicznym w inercjalnym układzie odniesienia w nowej mechanice zmodyfikowany przez drugie prawo Newtona (aksjomat): przyspieszenie jest proporcjonalne do ciężaru, ale jego kierunek jest odwrotny do wektora ciężaru.

w– przyspieszenie ciała w inercjalnym układzie odniesienia, W- jego waga. Podstawowe prawo mechaniki otrzymujemy w bardzo prostej formie. Równanie to nie uwzględnia żadnych wewnętrznych, immanentnych cech ciała. To jest bardzo ważne. Wszystkie ciała poruszają się w ten sam sposób, jeśli są w tym samym stanie mechanicznym, od pyłku kurzu po główny kaliber pancernika.

Pewnego razu Galileusz, rzucając kamienie z Krzywej Wieży w Pizie, doszedł do wniosku, że wszystkie ciała spadają jednakowo. Nowe prawo mechaniki rozszerza to stwierdzenie w następujący sposób: Wszystkie ciała poruszają się w ten sam sposób, jeśli są w tym samym stanie mechanicznym.

Jednostką masy w układzie SI jest N/kg. Ta jednostka w grawimetrii jest zwykle nazywana Galileo, w skrócie Ch. Masa na powierzchni Ziemi 9,81 Gl, na powierzchni Księżyca - 1,62 Gl, w rakiecie na miejscu startu około 40 Gl, podczas zwrotu bojowego myśliwca do 80 Gl, rakiety balistycznej Topol-M przy starcie do 120 Gl, masa pocisku armatniego podczas przyspieszania w beczka może wynosić do 100 kGl., mikrograwitacja masa na stacji orbitalnej wynosi około 1 nGl (nanoGalileo). Widzimy, w jakich dużych granicach zmienia się waga, z jaką zajmuje się praktyka.

8. Waga

Nowa mechanika inicjuje powstanie nowej dyscypliny mechanicznej - ciężary. Jest to nauka o stanie mechanicznym. Znajdzie zastosowanie w szerokiej gamie nauk stosowanych i technologii. Są to medycyna kosmiczna, lotnicza i morska, biofizyka, medycyna weterynaryjna, nauki o sile, medycyna sportowa, mechanika dyscyplin sportowych, mechanika i projektowanie maszyn, aparatury i atrakcji parkowych itp. A przede wszystkim nada wszystkim tym naukom i technologiom ujednoliconą terminologię naukową, a nie jakieś dziwne „przeciążenia”, „niedociążenia” itp. W nowej mechanice ciężary mają zająć to samo miejsce, co statyka w mechanice Newtona .

Zdefiniowaliśmy zatem podstawowe pojęcia nowego języka mechanicznego. Jeśli przedmiot mechaniczny uznać za elementarny, niepodzielny, to charakteryzuje go jeden wektor ciężaru, a także jedna siła. Jeśli mamy złożony obiekt mechaniczny zwany ciałem, wówczas mamy rozkład ciężaru na tym ciele. Rozkład ten może być płaski, tj. wszystkie części ciała mają równą wagę. Ale może to być również skomplikowane, jeśli ciało wykonuje własne ruchy, na przykład obroty, lub znajduje się w przestrzeni innej niż Galileuszowa.

9. Opis pola grawitacyjnego

Zatem pole grawitacyjne jest obszarem przestrzeni innej niż Galileusz. Jak opisać tę przestrzeń?

W mechanice Newtona istnieją siły grawitacyjne. Dlatego grawitację opisuje się za pomocą natężenia pola, tj. rozkład określonych sił grawitacyjnych, sił przyłożonych do masy jednostkowej.

Ale w nowej mechanice nie ma sił grawitacyjnych, a grawitacja jest po prostu właściwością przestrzeni. Dlatego podejście Newtona nie jest odpowiednie.

W podejściu grawitacyjnym Einsteina grawitacja jest właściwością zakrzywiającą przestrzeń. Zakrzywienie to powoduje, że siatka współrzędnych (linie geodezyjne), która w ogólnej teorii względności składa się z linii ruchu światła, ulega zakrzywieniu. Zakrzywienie tej przestrzeni determinuje pole grawitacyjne. Ale ani w kosmonautyce, ani w mechanice niebieskiej, a nawet w mechanice gwiazd i galaktyk opis ten nie ma praktycznie zastosowania. Krzywizny trajektorii światła są w tych skalach zbyt nieistotne, a praktyczne pola grawitacyjne są zbyt małe, aby można je było zastosować w ogólnej teorii względności. Stosowanie ogólnej teorii względności w zakresie praktycznie stosowanych zjawisk grawitacyjnych jest tożsame z użyciem taśmy mierniczej do pomiaru odległości atomowych. Natomiast podejście Newtona prowadzi do odpowiednich charakterystyk grawitacyjnych w skali astronautyki lub mechaniki niebieskiej.

Dochodzimy więc do wniosku: podejście Newtona dobrze opisuje praktycznie istotne pola grawitacyjne, ale opiera się na siłach grawitacyjnych, których nie mamy; podejście Einsteina opiera się na zmianie właściwości przestrzeni, ale jest skuteczne tylko w obszarze supersilnych pól grawitacyjnych, a nie w astronautyce, praktycznie nigdy nie spotykanej w mechanice niebieskiej. Może mieć to miejsce w kosmologii, ale nie w dziedzinie opisywania lotów na orbity bliskie Ziemi lub do Układu Słonecznego. I trzeba stworzyć opis pola grawitacyjnego adekwatny wymiarowo do Newtona, ale jednocześnie oprzeć ten opis na zmianach właściwości przestrzeni, jak w podejściu Einsteina.

I okazuje się, że da się to zrobić. Aby to zrobić, wystarczy wykorzystać podstawową wartość nowej mechaniki - ciężar.

W przestrzeni Galileusza możliwe jest stworzenie inercjalnego układu odniesienia, w którym ciała swobodne poruszają się jednostajnie i prostoliniowo lub pozostają w spoczynku. Wynika z tego, że w przestrzeni Galileusza możliwe jest stworzenie środowiska ciał spoczynkowych i nieważkich. Ale to środowisko może być jedynie punktem odniesienia. Wystarczy w odpowiedni sposób oznaczyć te nieważkie ciała w spoczynku, przypisać im współrzędne i za ich pomocą opisać ruchy ciał.

W przestrzeni niegalilejskiej ciała wolne nie mogą być względem siebie nieruchome. Każdy zespół wolnych ciał zacznie się rozpadać. A jeśli chcemy, aby ciała w polu grawitacyjnym były nieruchome względem siebie, trzeba je jakoś ze sobą spiąć, czyli tzw. zastosować do nich siłę. I znowu nie grawitacyjny, ale zwykły, elektryczny lub magnetyczny.

Ale jeśli zastosujemy siły do ​​ciał, wówczas przestaną być wolne i staną się ciężkie. I w tym nieruchomym środowisku następuje rozkład ciężaru. Możemy wykorzystać ten rozkład ciężaru jako charakterystykę pola grawitacyjnego. Zatem to pole grawitacyjne w ośrodku stacjonarnym może stać się cechą pola grawitacyjnego. Możemy również nazwać ten rozkład wag siła pola grawitacyjnego.

Łatwo zauważyć, że liczbowo doszliśmy do tego samego newtonowskiego pola grawitacyjnego, do konkretnej siły, dopiero teraz dokonaliśmy jej reinterpretacji: nie konkretnej siły grawitacyjnej, ale specyficznej siły sił niegrawitacyjnych, tj. ciężar stał się natężeniem pola grawitacyjnego. Ale wartości natężeń pola grawitacyjnego w obu teoriach całkowicie się pokrywają.

Wydawać by się mogło, że doszliśmy do tego samego i nie ma żadnej różnicy w rzeczywistym opisie pól grawitacyjnych. Ale nie naprawdę. Faktem jest, że siła grawitacji jest absolutna, siły działające pomiędzy ciałami grawitacyjnymi zgodnie z prawem powszechnego ciążenia są absolutne. Dlatego pola grawitacyjne są wyjątkowe i absolutne. Wymagają jednego i dedykowanego układu odniesienia, tj. Kopernikański układ odniesienia. Ale w nowej mechanice jest to rozkład ciężarów w sztywnym środowisku wirtualnym. I możesz wprowadzić w kosmos dowolną liczbę takich wirtualnych środowisk. Nie ma wybranych a priori mediów.Możesz wybrać różne obiekty jako obiekty początkowe, do których możesz „dołączyć” inne obiekty w celu utworzenia środowiska współrzędnych. Z absolutnego pola grawitacyjnego dochodzimy do wielowymiarowego, względnego pola grawitacyjnego. Doszliśmy więc do jeszcze większej ogólnej teorii względności grawitacji, która okazuje się „jeszcze bardziej względna”, niż wydawało się Einsteinowi.

Ale ta teoria względności nie jest już teoretycznym trikiem na rzecz pewnego rodzaju „ogólnej kowariancji”. Jest to praktyczne i niezwykle ważne dla astronautyki. Na przykład możemy przyjąć środek Ziemi jako ciało początkowe i skonstruować pole grawitacyjne w układzie odniesienia ze stałym środkiem Ziemi. Astronauta na orbicie może przyjąć swój statek jako ciało startowe i zbudować układ odniesienia ze sobą jako stałym punktem odniesienia i z odpowiednim rozkładem ciężarów w tym środowisku, jakim będzie pole grawitacyjne. Ten kosmocentryczny pole grawitacyjne będzie się znacznie różnić od geocentrycznego.Oczywiście konieczne jest jeszcze odkrycie praw przejścia z jednego pola grawitacyjnego do drugiego i stworzenie odpowiedniego aparatu matematycznego. Ale to już kwestia techniczna. W niektórych przypadkach astronauta będzie wygodniejszy rozważyć ruch ciał w kosmoautocentrycznym układzie odniesienia. I do księżycowego nauta na stacji księżycowej - w selenocentrycznym układzie odniesienia, ziemskiemu astronomowi - w układzie geocentrycznym (ptolemeuszowym), a dla uczniów i studentów przydatne będzie wykorzystanie układu heliocentrycznego do wizualnego przedstawienia struktury Układu Słonecznego. Mechanika neooptolemejska nie odrzuca zatem mechaniki kopernikańskiej, lecz po prostu stawia ją na równi z innymi układami odniesienia, w tym z Ptolemeuszem. A pytanie, który system jest słuszny, pytanie, za co przelano tyle krwi i ludzie poszli na stos, okazało się nie kwestią religii czy ideologii, ale czystego pragmatyzmu - Niezależnie od tego, który system jest bardziej opłacalny dla konkretnego zadania, właśnie tego powinieneś użyć. Nowa mechanika jednoczy Ptolemeusza i Kopernika, Giordano Bruno i jego oprawców.

Jednocześnie od razu zauważamy, że wszystkie wymienione powyżej układy odniesienia są powiązane z ciałami swobodnymi, dlatego wszystkie są lokalnie galilejskie, tj. na początku tych układów nie ma pola grawitacyjnego, a natężenie pola wynosi zero. Uzyskaliśmy najważniejszą właściwość pól grawitacyjnych związanych z ciałami swobodnymi, której nie ma w dotychczasowej teorii mechaniki, ale w praktyce astronautyki wykorzystuje się je przez długi czas. Jednak stosowanie pewnych schematów i faktów bez ich teoretycznego uzasadnienia często prowadzi do błędów i innych niekorzystnych skutków. Dlatego ważne jest teoretyczne uzasadnienie praktyki kosmicznej.

10.Ruch ciał w polu grawitacyjnym

A teraz możemy zapisać równanie ruchu ciał swobodnych w polu grawitacyjnym. Równanie to można zapisać bardzo prosto: przyspieszenie w swobodne (nieważkie) ciało jest równe natężeniu pola grawitacyjnego V:

Jakie jest przyspieszenie grawitacyjne w polu ziemskim? Jest liczbowo równy natężeniu pola grawitacyjnego na powierzchni Ziemi i jest skierowany w tym samym kierunku. Znamy ciężar na powierzchni Ziemi, W=9,81 rozdz. Ale ta waga jest jednocześnie natężeniem pola grawitacyjnego na powierzchni Ziemi, V = 9,81 Ch. Zatem przyspieszenie swobodnego spadania jest liczbowo równe natężeniu pola, ale oczywiście ma inne jednostki miary - w =9,81 m/s 2 .

I wreszcie, uogólnione prawo ruchu ciężkiego ciała w polu grawitacyjnym będzie następujące: przyspieszenie ciężkiego ciała w polu grawitacyjnym jest równe natężeniu pola minus jego ciężar, tj.

Otrzymaliśmy uogólnienie Drugiego Prawa Newtona. Doskonale wyjaśnia wszystkie fakty. Jeśli ciało jest nieruchome, przyspieszenie wynosi zero, to w polu grawitacyjnym ciężar jest równy natężeniu pola i odwrotnie, siła pola grawitacyjnego jest równa ciężarowi nieruchomych ciał. Jeśli nie ma pola grawitacyjnego, to przyspieszenie jest równe ciężarowi ciała o przeciwnym znaku.A jeśli istnieje pole grawitacyjne, a ciało jest swobodne, to jego przyspieszenie jest skierowane wzdłuż natężenia pola i jest liczbowo równe To. Bardzo prosta i wizualna interpretacja ruchów i stanów.

Zauważmy jeszcze raz, że równanie to nie uwzględnia żadnych wewnętrznych, wewnętrznych cech (na przykład masy) ciała. Trudno przecenić znaczenie tego dla obliczeń nawigacyjnych w astronautyce i ogólnie w mechanice. Jest to jeszcze dalsze rozszerzenie zasady Galileusza: wszystkie ciała w tym samym polu grawitacyjnym i w tym samym stanie mechanicznym poruszają się w ten sam sposób.

11.Harmoniczne układy odniesienia

Zauważmy jednak od razu, że równanie to otrzymano nie dla dowolnego układu odniesienia, a jedynie dla specjalnych, tzw. harmonicznych układów odniesienia. Harmoniczny układ odniesienia jest układem odniesienia, który jest inercjalny w nieskończoności. Inercyjne układy odniesienia są oczywiście harmoniczne. Jednak nieinercyjne układy odniesienia w przestrzeni Galileusza już są nieharmonijne. W przestrzeni niegalilejskiej nie ma układów inercjalnych, ale istnieją układy odniesienia, które są inercjalne poza obszarem niegalilejskim, tj. w nieskończoności. Są to harmoniczne układy odniesienia. Jeśli grawitacja zostanie „usunięta”, wówczas zamieniają się w inercyjne układy odniesienia. Przykładowo układ odniesienia związany z Ziemią, zorientowany w stronę odległych gwiazd, nie jest inercjalny ze względu na obecność pola ziemskiego, ale jest harmonijny. Dlatego problem budowy inercjalnego układu odniesienia na Ziemi nie jest sformułowany całkowicie poprawnie. Jest to problem konstrukcji harmonicznego układu odniesienia. Jest to bardzo ważne nawet w życiu codziennym, na przykład w systemach komunikacji komórkowej i kosmicznej oraz systemach nawigacji kosmicznej. Można to rozwiązać albo za pomocą odległych gwiazd, albo za pomocą wewnętrznych urządzeń stabilizujących, na przykład żyroskopów. Jest to także najważniejsze i stałe zadanie astronautyki.

Prawa ruchu w nieharmonicznych, w rzeczywistości obracających się układach odniesienia, stają się bardziej skomplikowane, ale nie będziemy się nad tym rozwodzić, ponieważ naszym zadaniem nie jest konstruowanie całej nowej mechaniki, a jedynie wykazanie jej konieczności i sformułowanie podstawowych pojęć i prawa, które odróżniają ją od współczesnej mechaniki Newtona, mechaniki Kopernika. Podkreślmy jeszcze raz. Obecna mechanika nie jest odrzucana, jest dobra i prawdziwa dla szeregu zjawisk zarówno poza polem grawitacyjnym, jak i w stałym polu grawitacyjnym, tj. w mechanice na powierzchni Ziemi. Jednak w astronautyce, gdzie występuje złożona kombinacja zmiennych pól grawitacyjnych i różnorodnych ruchów, gdzie przedmiotem ruchu nie są martwe kamienie i ciała kosmiczne, ale myśląca istota, osoba, jest to niezadowalające.

12.Równania pola grawitacyjnego

A teraz możemy zapisać równania pola grawitacyjnego (grawitacyjnego). Równanie to ma postać identyczną z równaniem pola w mechanice Newtona:

Tutaj R jest gęstością substancji.

Na pierwszy rzut oka jest to zwykłe równanie pola grawitacyjnego Newtona. Ale są tu subtelności. Są one następujące:

1. Równanie pola w mechanice Newtona zapisuje się w układzie środka masy, tj. w kopernikańskim układzie odniesienia. W naszej mechanice to równanie jest prawdziwe dla dowolnego harmonicznego układu odniesienia. Te. dotyczy to zarówno Układu Słonecznego, jak i układu odniesienia Ziemi, a także układu odniesienia orbitalnego lub międzyplanetarnego statku kosmicznego.

2. Z matematyki wiadomo, że do rozwiązania tego równania konieczne jest ustalenie warunków brzegowych lub początkowych. Pole elektromagnetyczne wymaga ustalenia warunków brzegowych. Ale pole grawitacyjne wymaga ustawienia tych początkowych. Warunki graniczne - warunki zerowe w nieskończoności dla układu harmonicznego są spełnione automatycznie. Oraz warunki początkowe, tj. natężenie pola na początku układu odniesienia, tj. należy określić masę początkowego korpusu układu odniesienia. A jeśli początek układu odniesienia jest związany z ciałem swobodnym, to ten układ odniesienia jest lokalnie inercjalny i początkowa wartość pola wynosi zero. V (0)=0.

3. Z matematyki wiadomo również, że aby wyznaczyć pole wektorowe, należy określić jedną rozbieżność. niewystarczająco. Konieczne jest również określenie wirnika polowego. Jeżeli przyjmiemy, że pole grawitacyjne jest potencjalne, to oznacza to, że wirnik pola jest równy zeru i wówczas układ równań pola grawitacyjnego w harmonicznym układzie odniesienia będzie zapisany w postaci:

Zatem ten układ równań pola opisuje pole grawitacyjne (pole grawitacyjne) w harmonicznym układzie odniesienia. W przypadku nieharmonicznych układów odniesienia rozkład pola wagowego będzie inny, ale na razie nie będziemy o tym rozmawiać.

13.Rozszerzenie grawitacyjnej teorii grawitacji Newtona

Czy istnieje rozszerzenie teorii grawitacji? Mamy na myśli standardowy sposób ekspansji poprzez dodanie nowych członków? Tak. Aby to zrobić, warto wprowadzić niezerowy wyraz po prawej stronie drugiego równania. Ponieważ równanie jest wektorem osiowym, to po prawej stronie konieczne jest wprowadzenie pewnego rodzaju charakterystyki wektora osiowego ośrodka. Czy istnieje coś takiego? Tak, jest to gęstość wewnętrznego momentu obrotowego (spinu) S. A biorąc pod uwagę wymiary, możemy ten układ równań pola grawitacyjnego w harmonicznym układzie odniesienia zapisać jako:

Tutaj A- jakąś bezwymiarową stałą, która nie została jeszcze ustalona na podstawie obserwacji.

Co oznacza dodanie tego członka? Oznacza to, że w pobliżu wirującego ciała występuje dodatkowa składowa wirowa pola grawitacyjnego. Pole wirowe pojedynczego wirującego ciała jest podobne do pola magnetycznego pojedynczego dipola magnetycznego. Według sześcianu promienia spada bardzo szybko. Dlatego może wpływać na ruch tylko w bezpośrednim sąsiedztwie.

W bezpośrednim sąsiedztwie Słońca znajduje się planeta Merkury. Od dawna zauważana jest rozbieżność pomiędzy jego ruchem a prawami Newtona. A jeśli uważa się, że znajduje to odzwierciedlenie w teorii grawitacji Einsteina, to dlaczego nie może znaleźć tego odzwierciedlenia w zmodernizowanej, neonewtonowskiej teorii grawitacji? Inny możliwy efekt związany jest z wpływem tego pola na żyroskop w postaci zmiany osi jego obrotu.A efekt ten najwyraźniej został już odkryty w eksperymencie na amerykańskim satelicie GP-B (sonda grawitacyjna - B), uruchomiony w kwietniu 2004 roku.

Możliwe są także inne przejawy tego pola. Obliczając krzywiznę światła przechodzącego w pobliżu dysku Słońca zgodnie z teorią Newtona (zgodnie z tą teorią wszystkie obiekty mechaniczne poruszają się w ten sam sposób, o ruchu decydują jedynie warunki początkowe), otrzymana wartość różni się od obserwowanej jeden. Można założyć, że wynika to właśnie z wpływu pola wirowego Słońca. Pole wirowe będzie szczególnie silnie wpływać na ruch materii gazowej i plazmowej w górnej powłoce Słońca. Jest całkiem możliwe, że zapewni to nowe podejście do fizyki Słońca, atmosfery słonecznej i jej aktywności. Ogólnie rzecz biorąc, rotacja jest jednym z najważniejszych czynników astrofizycznych. A wprowadzenie wirowego składnika pola grawitacyjnego może znacznie zmienić nasze wyobrażenia o strukturze megaświata. Mówiąc obrazowo, jeśli składowa potencjalna pola grawitacyjnego zapewnia stabilność wszechświata, to składowa wirowa nadaje mu dynamikę. Ale obserwujemy niesamowitą dynamikę w kosmosie, megaświecie, a nawet na Ziemi.

14.Zakończenie

Dawna (i obecna) mechanika Newtona-Kopernika nie spełnia wymagań, jakie współczesna kosmonautyka stawia teorii mechanicznej. Nie dostarcza odpowiedniego opisu teoretycznego doświadczenia kosmicznego, a często po prostu mu zaprzecza. Dopiero nowa mechanika nienewtonowska i niekopernikańska otworzy nowe horyzonty przed astronautyką, a nawet szerzej, przed mechaniką i jej praktycznymi zastosowaniami. Sercem tej mechaniki jest nowe rozumienie grawitacji, grawitacji bez sił grawitacyjnych, ale być może ze składnikiem wirowym.

Grawitacja jest najbardziej tajemniczą siłą we Wszechświecie. Naukowcy nie do końca znają jego naturę. To ona utrzymuje planety Układu Słonecznego na orbicie. Jest to siła występująca pomiędzy dwoma obiektami, zależna od masy i odległości.

Grawitacja nazywana jest siłą przyciągania lub przyciągania. Za jego pomocą planeta lub inne ciało przyciąga obiekty do swojego środka. Grawitacja utrzymuje planety na orbicie wokół Słońca.

Co jeszcze robi grawitacja?

Dlaczego po podskoczeniu lądujesz na ziemi, zamiast odlecieć w przestrzeń kosmiczną? Dlaczego rzeczy spadają, gdy je rzucasz? Odpowiedzią jest niewidzialna siła grawitacji, która przyciąga obiekty do siebie. Ziemska grawitacja utrzymuje cię na ziemi i sprawia, że ​​wszystko spada.

Wszystko, co ma masę, ma grawitację. Siła grawitacji zależy od dwóch czynników: masy obiektów i odległości między nimi. Jeśli podniesiesz kamień i pióro i puścisz je z tej samej wysokości, oba przedmioty spadną na ziemię. Ciężki kamień spadnie szybciej niż piórko. Pióro nadal będzie wisieć w powietrzu, ponieważ jest lżejsze. Obiekty o większej masie mają silniejszą siłę grawitacji, która słabnie wraz z odległością: im bliżej siebie znajdują się obiekty, tym silniejsze jest ich przyciąganie grawitacyjne.

Grawitacja na Ziemi i we Wszechświecie

Podczas lotu samolotu znajdujące się w nim osoby pozostają na miejscu i mogą poruszać się jak na ziemi. Dzieje się tak ze względu na tor lotu. Istnieją specjalnie zaprojektowane samoloty, w których na określonej wysokości nie ma grawitacji, co skutkuje nieważkością. Samolot wykonuje specjalny manewr, zmienia się masa obiektów, które na krótki czas wznoszą się w powietrze. Po kilku sekundach pole grawitacyjne zostaje przywrócone.

Biorąc pod uwagę siłę grawitacji w kosmosie, kula ziemska ma ją większą niż większość planet. Wystarczy spojrzeć na ruch astronautów podczas lądowania na planetach. Jeśli stąpamy spokojnie po ziemi, astronauci wydają się unosić w powietrzu, ale nie lecą w kosmos. Oznacza to, że ta planeta również ma siłę grawitacji, tylko nieznacznie inną niż planeta Ziemia.

Siła grawitacyjna Słońca jest tak silna, że ​​utrzymuje w sobie dziewięć planet, liczne satelity, asteroidy i planety.

Grawitacja odgrywa kluczową rolę w rozwoju Wszechświata. Bez grawitacji nie byłoby gwiazd, planet, asteroid, czarnych dziur i galaktyk. Co ciekawe, czarne dziury w rzeczywistości nie są widoczne. Naukowcy określają oznaki czarnej dziury na podstawie siły pola grawitacyjnego na określonym obszarze. Jeśli jest bardzo silny i ma silne wibracje, wskazuje to na istnienie czarnej dziury.

Mit 1. W kosmosie nie ma grawitacji

Oglądając filmy dokumentalne o astronautach, wydaje się, że unoszą się nad powierzchnią planet. Dzieje się tak, ponieważ na innych planetach grawitacja jest mniejsza niż na Ziemi, dlatego astronauci poruszają się, jakby unosili się w powietrzu.

Mit 2. Wszystkie ciała zbliżające się do czarnej dziury zostają rozerwane

Czarne dziury są potężne i wytwarzają potężne pola grawitacyjne. Im bliżej czarnej dziury znajduje się obiekt, tym silniejsze stają się siły pływowe i grawitacja. Dalszy rozwój wydarzeń zależy od masy obiektu, wielkości czarnej dziury i odległości między nimi. Czarna dziura ma masę dokładnie odwrotną do jej rozmiaru. Co ciekawe, im większa dziura, tym słabsze siły pływowe i odwrotnie. Zatem, nie wszystkie obiekty ulegają rozerwaniu podczas wchodzenia w pole czarnej dziury.

Mit 3. Sztuczne satelity mogą krążyć wokół Ziemi w nieskończoność

Teoretycznie można by tak powiedzieć, gdyby nie wpływ czynników wtórnych. Wiele zależy od orbity. Na niskiej orbicie satelita nie będzie mógł latać wiecznie z powodu hamowania atmosferycznego, na wysokich orbitach może pozostać w niezmienionym stanie przez dość długi czas, ale tutaj zaczynają działać siły grawitacyjne innych obiektów.

Gdyby wśród wszystkich planet istniała tylko Ziemia, satelita byłby do niej przyciągany i praktycznie nie zmieniałby swojej trajektorii. Ale na wysokich orbitach obiekt jest otoczony przez wiele planet, dużych i małych, każdy z własną siłą grawitacji.

W takim przypadku satelita stopniowo oddalałby się od swojej orbity i poruszał się chaotycznie. Jest prawdopodobne, że po pewnym czasie rozbiłby się o najbliższą powierzchnię lub przeszedł na inną orbitę.

Kilka faktów

1. W niektórych częściach Ziemi siła grawitacji jest słabsza niż na całej planecie. Na przykład w Kanadzie, w rejonie Zatoki Hudsona, siła grawitacji jest mniejsza.
2. Kiedy astronauci wracają z kosmosu na naszą planetę, już na samym początku mają trudności z przystosowaniem się do siły grawitacji globu. Czasami zajmuje to kilka miesięcy.
3. Czarne dziury mają najpotężniejszą siłę grawitacyjną wśród obiektów kosmicznych. Jedna czarna dziura wielkości kuli ma większą moc niż jakakolwiek planeta.

Pomimo ciągłych badań siły grawitacji, grawitacja pozostaje nierozwiązana. Oznacza to, że wiedza naukowa pozostaje ograniczona, a ludzkość musi się jeszcze wielu nowych rzeczy nauczyć.

Siła grawitacji jest fundamentem, na którym opiera się Wszechświat. Dzięki grawitacji Słońce nie eksploduje, atmosfera nie ucieka w przestrzeń kosmiczną, ludzie i zwierzęta poruszają się swobodnie po powierzchni, a rośliny wydają owoce.

Mechanika nieba i teoria względności

Prawo powszechnego ciążenia uczy się w klasach 8-9 szkoły średniej. Pilni uczniowie wiedzą o słynnym jabłku, które spadło na głowę wielkiego Izaaka Newtona i o odkryciach, które po nim nastąpiły. W rzeczywistości podanie jasnej definicji grawitacji jest znacznie trudniejsze. Współcześni naukowcy kontynuują dyskusje na temat interakcji ciał w przestrzeni kosmicznej i istnienia antygrawitacji. Badanie tego zjawiska w ziemskich laboratoriach jest niezwykle trudne, dlatego wyróżnia się kilka podstawowych teorii grawitacji:

Grawitacja Newtona

W 1687 Newton położył podwaliny pod mechanikę nieba, która bada ruch ciał w pustej przestrzeni. Obliczył siłę ciężkości Księżyca na Ziemi. Zgodnie ze wzorem siła ta zależy bezpośrednio od ich masy i odległości między obiektami.

F = (G m1 m2)/r2
Stała grawitacyjna G=6,67*10-11

Równanie nie jest całkowicie istotne przy analizie silnego pola grawitacyjnego lub przyciągania więcej niż dwóch obiektów.

Teoria grawitacji Einsteina

W trakcie różnych eksperymentów naukowcy doszli do wniosku, że we wzorze Newtona występują pewne błędy. Podstawą mechaniki nieba jest siła dalekiego zasięgu, która działa natychmiastowo niezależnie od odległości, co nie odpowiada teorii względności.

Według teorii A. Einsteina opracowanej na początku XX wieku informacja nie przemieszcza się szybciej niż prędkość światła w próżni, dlatego efekty grawitacyjne powstają w wyniku deformacji czasoprzestrzeni. Im większa masa obiektu, tym większa jest krzywizna, po której toczą się lżejsze przedmioty.

Grawitacja kwantowa

Bardzo kontrowersyjna i nie do końca ukształtowana teoria, która wyjaśnia oddziaływanie ciał jako wymianę specjalnych cząstek - grawitonów.

Na początku XXI wieku naukowcom udało się przeprowadzić kilka znaczących eksperymentów, m.in. z wykorzystaniem Zderzacza Hadronów, a także opracować teorię pętlowej grawitacji kwantowej i teorię strun.

Wszechświat bez grawitacji

Powieści science fiction często opisują różne zniekształcenia grawitacyjne, komory antygrawitacyjne i statki kosmiczne ze sztucznym polem grawitacyjnym. Czytelnicy czasami nawet nie zastanawiają się, jak nierealistyczna jest fabuła książek i co się stanie, jeśli grawitacja zmniejszy się/zwiększy lub całkowicie zniknie.

1. Człowiek jest przystosowany do grawitacji Ziemi, więc w innych warunkach będzie musiał się radykalnie zmienić. Nieważkość prowadzi do atrofii mięśni, zmniejszenia liczby czerwonych krwinek i zakłócenia w funkcjonowaniu wszystkich ważnych układów organizmu, a wraz ze wzrostem pola grawitacyjnego ludzie po prostu nie będą mogli się poruszać.
2. Powietrze i woda, rośliny i zwierzęta, domy i samochody polecą w przestrzeń kosmiczną. Nawet jeśli ludziom uda się pozostać, szybko umrą bez tlenu i jedzenia. Niska grawitacja na Księżycu jest główną przyczyną braku atmosfery, a co za tym idzie, życia.
3. Nasza planeta rozpadnie się, gdy zniknie ciśnienie w samym środku Ziemi, wybuchną wszystkie istniejące wulkany, a płyty tektoniczne rozejdą się.
4. Gwiazdy będą eksplodować w wyniku intensywnego ciśnienia i chaotycznych zderzeń cząstek w jądrze.
5. Wszechświat stanie się bezkształtną mieszaniną atomów i cząsteczek, które nie będą w stanie połączyć się, aby stworzyć nic większego.

Na szczęście dla ludzkości wyłączenie grawitacji i następujące po nim straszne wydarzenia nigdy nie nastąpią. Mroczny scenariusz po prostu pokazuje, jak ważna jest grawitacja. Jest od niej dużo słabsza elektromagnetyzm, silne lub słabe interakcje, ale tak naprawdę bez tego nasz świat przestanie istnieć.

Jakim prawem chcesz mnie powiesić?
- I wieszamy wszystkich według jednego prawa - prawa Uniwersalnej Grawitacji.

Prawo grawitacji

Zjawisko grawitacji jest prawem powszechnego ciążenia. Dwa ciała działają na siebie z siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi i wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas.

Matematycznie możemy wyrazić to wielkie prawo za pomocą wzoru

Grawitacja działa na ogromne odległości we Wszechświecie. Newton twierdził jednak, że wszystkie obiekty wzajemnie się przyciągają. Czy to prawda, że ​​dowolne dwa obiekty przyciągają się? Wyobraź sobie, wiadomo, że Ziemia przyciąga Cię siedząc na krześle. Ale czy kiedykolwiek pomyślałeś, że komputer i mysz się przyciągają? A może ołówek i długopis leżące na stole? W tym przypadku podstawiamy do wzoru masę pióra i masę ołówka, dzielimy przez kwadrat odległości między nimi, biorąc pod uwagę stałą grawitacji, i otrzymujemy siłę ich wzajemnego przyciągania. Będzie jednak na tyle mały (ze względu na małą masę pióra i ołówka), że nie odczujemy jego obecności. Inaczej jest w przypadku Ziemi i krzesła lub Słońca i Ziemi. Masy są znaczne, co oznacza, że ​​możemy już ocenić wpływ siły.

Pamiętajmy o przyspieszeniu swobodnego spadania. Takie jest działanie prawa przyciągania. Pod wpływem siły ciało zmienia prędkość tym wolniej, im większa jest jego masa. W rezultacie wszystkie ciała spadają na Ziemię z tym samym przyspieszeniem.

Co powoduje tę niewidzialną, wyjątkową siłę? Dziś istnienie pola grawitacyjnego jest już znane i udowodnione. Więcej o naturze pola grawitacyjnego można dowiedzieć się z dodatkowego materiału na ten temat.

Pomyśl o tym, czym jest grawitacja? Skąd to jest? Co to jest? Z pewnością nie może być tak, że planeta patrzy na Słońce, widzi, jak daleko się ono znajduje i zgodnie z tym prawem oblicza odwrotność kwadratu odległości?

Kierunek ciężkości

Istnieją dwa ciała, powiedzmy ciało A i B. Ciało A przyciąga ciało B. Siła, z jaką ciało A działa, zaczyna się na ciele B i jest skierowana w stronę ciała A. Oznacza to, że „bierze” ciało B i przyciąga je do siebie . Ciało B „robi” to samo z ciałem A.

Każde ciało jest przyciągane przez Ziemię. Ziemia „bierze” ciało i przyciąga je do środka. Dlatego siła ta będzie zawsze skierowana pionowo w dół i jest przykładana ze środka ciężkości ciała, nazywa się to siłą ciężkości.

Najważniejszą rzeczą do zapamiętania

Niektóre metody badań geologicznych, przewidywania pływów, a ostatnio obliczania ruchu sztucznych satelitów i stacji międzyplanetarnych. Wstępne obliczenia pozycji planet.

Czy możemy sami przeprowadzić taki eksperyment i nie zgadywać, czy planety i obiekty się przyciągają?

Takie bezpośrednie doświadczenie Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) – angielski fizyk i chemik) za pomocą urządzenia pokazanego na rysunku. Pomysł polegał na zawieszeniu pręta z dwiema kulkami na bardzo cienkiej kwarcowej nitce, a następnie przyłożeniu z boku dwóch dużych ołowianych kulek. Przyciąganie kulek lekko skręci nić - nieznacznie, ponieważ siły przyciągania pomiędzy zwykłymi przedmiotami są bardzo słabe. Za pomocą takiego urządzenia Cavendish był w stanie bezpośrednio zmierzyć siłę, odległość i wielkość obu mas, a tym samym określić stała grawitacyjna G.

Unikalne odkrycie stałej grawitacyjnej G, charakteryzującej pole grawitacyjne w przestrzeni, umożliwiło określenie masy Ziemi, Słońca i innych ciał niebieskich. Dlatego Cavendish nazwał swoje doświadczenie „ważeniem Ziemi”.

Co ciekawe, różne prawa fizyki mają pewne wspólne cechy. Przejdźmy do praw elektryczności (siła Coulomba). Siły elektryczne są również odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości, ale między ładunkami i mimowolnie pojawia się myśl, że w tym wzorze kryje się głębokie znaczenie. Do tej pory nikt nie był w stanie wyobrazić sobie grawitacji i elektryczności jako dwóch różnych przejawów tej samej istoty.

Siła tutaj również zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości, ale różnica w wielkości sił elektrycznych i grawitacyjnych jest uderzająca. Próbując ustalić ogólną naturę grawitacji i elektryczności, odkrywamy taką przewagę sił elektrycznych nad siłami grawitacji, że trudno uwierzyć, że obie mają to samo źródło. Jak możesz mówić, że jeden jest potężniejszy od drugiego? Wszystko zależy przecież od tego, jaka jest masa i jaki jest ładunek. Dyskutując o tym, jak silnie działa grawitacja, nie masz prawa mówić: „Weźmy masę takiej a takiej wielkości”, bo sam ją wybierasz. Ale jeśli weźmiemy to, co oferuje nam sama Natura (jej własne liczby i miary, które nie mają nic wspólnego z naszymi centymetrami, latami i naszymi miarami), wówczas będziemy mogli porównać. Weźmy elementarną cząstkę naładowaną, taką jak elektron. Dwie cząstki elementarne i dwa elektrony pod wpływem ładunku elektrycznego odpychają się z siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi, a pod wpływem grawitacji ponownie przyciągają się do siebie z siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości odległość.

Pytanie: Jaki jest stosunek siły grawitacji do siły elektrycznej? Grawitacja ma się do odpychania elektrycznego jak jeden do liczby zawierającej 42 zera. To powoduje najgłębsze zdumienie. Skąd mogła wziąć się tak ogromna liczba?

Ludzie szukają tego ogromnego współczynnika w innych zjawiskach naturalnych. Próbują różnych dużych liczb, a jeśli potrzeba dużej liczby, dlaczego nie wziąć, powiedzmy, stosunku średnicy Wszechświata do średnicy protonu - co zaskakujące, jest to również liczba z 42 zerami. I tak mówią: może ten współczynnik jest równy stosunkowi średnicy protonu do średnicy Wszechświata? To ciekawy pomysł, ale w miarę stopniowego rozszerzania się Wszechświata stała grawitacyjna również musi się zmieniać. Chociaż hipoteza ta nie została jeszcze obalona, ​​nie mamy żadnych dowodów na jej korzyść. Wręcz przeciwnie, niektóre dowody sugerują, że stała grawitacyjna nie zmieniła się w ten sposób. Ta ogromna liczba do dziś pozostaje tajemnicą.

Einstein musiał zmodyfikować prawa grawitacji zgodnie z zasadami względności. Pierwsza z tych zasad głosi, że odległości x nie można pokonać natychmiastowo, podczas gdy zgodnie z teorią Newtona siły działają natychmiast. Einstein musiał zmienić prawa Newtona. Te zmiany i wyjaśnienia są bardzo niewielkie. Jedna z nich jest następująca: ponieważ światło ma energię, energia jest równoważna masie i wszystkie masy są przyciągane, światło również jest przyciągane i dlatego przechodząc obok Słońca, musi zostać odchylone. Tak to się faktycznie dzieje. Siła grawitacji jest również nieco zmodyfikowana w teorii Einsteina. Ale ta bardzo niewielka zmiana w prawie grawitacji wystarczy, aby wyjaśnić niektóre widoczne nieprawidłowości w ruchu Merkurego.

Zjawiska fizyczne w mikroświecie podlegają innym prawom niż zjawiska w świecie w dużej skali. Powstaje pytanie: jak grawitacja objawia się w świecie małych skal? Odpowiedzi na to pytanie udzieli kwantowa teoria grawitacji. Ale nie ma jeszcze kwantowej teorii grawitacji. Nie udało się jeszcze stworzyć teorii grawitacji w pełni zgodnej z zasadami mechaniki kwantowej i zasadą nieoznaczoności.

Na pytanie „Co to jest siła?” fizyka odpowiada w ten sposób: „Siła jest miarą oddziaływania ciał materialnych między sobą lub pomiędzy ciałami a innymi obiektami materialnymi – polami fizycznymi”. Wszystkie siły występujące w przyrodzie można podzielić na cztery podstawowe typy oddziaływań: silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne. Nasz artykuł mówi o tym, czym są siły grawitacyjne - miara ostatniego i być może najbardziej rozpowszechnionego rodzaju tych interakcji w przyrodzie.

Zacznijmy od grawitacji Ziemi

Każdy żyjący wie, że istnieje siła, która przyciąga obiekty na ziemię. Powszechnie nazywa się to grawitacją, grawitacją lub grawitacją. Dzięki jego obecności ludzie mają pojęcia „góra” i „dół”, które określają kierunek ruchu lub położenie czegoś względem powierzchni ziemi. Zatem w konkretnym przypadku na powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu manifestują się siły grawitacyjne, które przyciągają do siebie obiekty posiadające masę, manifestując swoje działanie na każdą odległość, zarówno małą, jak i bardzo dużą, nawet jak na standardy kosmiczne.

Grawitacja i trzecie prawo Newtona

Jak wiadomo, każda siła, jeśli jest uważana za miarę oddziaływania ciał fizycznych, jest zawsze przykładana do jednego z nich. Zatem w grawitacyjnym oddziaływaniu ciał na siebie, każde z nich doświadcza tego rodzaju sił grawitacyjnych, które powstają pod wpływem każdego z nich. Jeżeli są tylko dwa ciała (zakłada się, że działanie wszystkich pozostałych można pominąć), to każde z nich, zgodnie z trzecim prawem Newtona, będzie przyciągało drugie ciało z tą samą siłą. Zatem Księżyc i Ziemia przyciągają się nawzajem, powodując przypływy i odpływy mórz Ziemi.

Każda planeta w Układzie Słonecznym doświadcza kilku sił grawitacyjnych ze Słońca i innych planet. Oczywiście to siła grawitacji Słońca determinuje kształt i wielkość jego orbity, ale astronomowie w swoich obliczeniach trajektorii ich ruchu uwzględniają także wpływ innych ciał niebieskich.

Które z wysokości szybciej spadnie na ziemię?

Główną cechą tej siły jest to, że wszystkie obiekty spadają na ziemię z tą samą prędkością, niezależnie od ich masy. Dawno, dawno temu, aż do XVI wieku, wierzono, że wszystko jest na odwrót – ciała cięższe powinny spadać szybciej niż lżejsze. Aby rozwiać to błędne przekonanie, Galileo Galilei musiał przeprowadzić swój słynny eksperyment polegający na jednoczesnym zrzuceniu dwóch kul armatnich o różnej masie z Krzywej Wieży w Pizie. Wbrew oczekiwaniom świadków eksperymentu oba jądra wydostały się na powierzchnię w tym samym czasie. Dziś każdy uczeń wie, że stało się to dzięki temu, że grawitacja nadaje każdemu ciału to samo przyspieszenie swobodnego spadania g = 9,81 m/s 2 niezależnie od masy tego ciała m, a jego wartość zgodnie z drugą zasadą Newtona jest równa do F = mg.

Siły grawitacyjne na Księżycu i na innych planetach mają różne wartości tego przyspieszenia. Jednak charakter działania grawitacji na nie jest taki sam.

Grawitacja i masa ciała

Jeśli pierwsza siła zostanie przyłożona bezpośrednio do samego ciała, druga do jego podparcia lub zawieszenia. W tej sytuacji na ciała z podpór i zawieszeń zawsze działają siły sprężyste. Siły grawitacyjne przyłożone do tych samych ciał działają na nie.

Wyobraź sobie ciężar zawieszony nad ziemią na sprężynie. Przyłożone są do niego dwie siły: siła sprężystości naciągniętej sprężyny i siła ciężkości. Zgodnie z trzecim prawem Newtona obciążenie działa na sprężynę z siłą równą i przeciwną do siły sprężystości. Ta siła będzie jego ciężarem. Obciążenie o masie 1 kg ma masę równą P = 1 kg ∙ 9,81 m/s 2 = 9,81 N (niutona).

Siły grawitacyjne: definicja

Pierwsza ilościowa teoria grawitacji, oparta na obserwacjach ruchu planet, została sformułowana przez Izaaka Newtona w 1687 roku w jego słynnych „Zasadach filozofii naturalnej”. Napisał, że siły grawitacyjne działające na Słońce i planety zależą od ilości zawartej w nich materii. Rozprzestrzeniają się na duże odległości i zawsze maleją jako odwrotność kwadratu odległości. Jak możemy obliczyć te siły grawitacyjne? Wzór na siłę F pomiędzy dwoma obiektami o masach m 1 i m 2 położonymi w odległości r jest następujący:

• F=Gm 1 m 2 /r 2 ,
  gdzie G jest stałą proporcjonalności, stałą grawitacji.

Fizyczny mechanizm grawitacji

Newton nie był do końca usatysfakcjonowany swoją teorią, gdyż zakładała ona interakcję pomiędzy przyciągającymi się ciałami na odległość. Sam wielki Anglik był pewien, że musi istnieć jakiś czynnik fizyczny odpowiedzialny za przeniesienie działania jednego ciała na drugie, co dość wyraźnie stwierdził w jednym ze swoich listów. Jednak czas, w którym koncepcja pola grawitacyjnego przenikającego całą przestrzeń została wprowadzona dopiero cztery wieki później. Dziś mówiąc o grawitacji, możemy mówić o oddziaływaniu dowolnego (kosmicznego) ciała z polem grawitacyjnym innych ciał, którego miarą są siły grawitacyjne powstające pomiędzy każdą parą ciał. Sformułowane przez Newtona w powyższej formie prawo powszechnego ciążenia pozostaje prawdziwe i potwierdza je wiele faktów.

Teoria grawitacji i astronomia

Został on z powodzeniem zastosowany do rozwiązywania problemów mechaniki niebieskiej w XVIII i na początku XIX wieku. Na przykład matematycy D. Adams i W. Le Verrier, analizując zaburzenia na orbicie Urana, zasugerowali, że podlega on siłom grawitacyjnym oddziałującym z nieznaną jeszcze planetą. Wskazali jej oczekiwaną pozycję i wkrótce Neptuna odkrył tam astronom I. Galle.

Jednak nadal był jeden problem. Le Verrier w 1845 roku obliczył, że orbita Merkurego precesja wynosi 35 cali na stulecie, w przeciwieństwie do zerowej wartości tej precesji wynikającej z teorii Newtona. Kolejne pomiary dały dokładniejszą wartość 43 cali. (Obserwowana precesja w rzeczywistości wynosi 570 cali/wiek, ale dokładne obliczenia mające na celu odjęcie wpływu wszystkich innych planet dają wartość 43 cali).

Dopiero w 1915 roku Albert Einstein był w stanie wyjaśnić tę rozbieżność w ramach swojej teorii grawitacji. Okazało się, że masywne Słońce, jak każde inne masywne ciało, zagina czasoprzestrzeń w swoim sąsiedztwie. Efekty te powodują odchylenia w orbitach planet, jednak na Merkurym, jako najmniejszej planecie i najbliżej naszej gwiazdy, są one najbardziej widoczne.

Masy inercyjne i grawitacyjne

Jak wspomniano powyżej, Galileusz jako pierwszy zaobserwował, że obiekty spadają na ziemię z tą samą prędkością, niezależnie od ich masy. We wzorach Newtona pojęcie masy pochodzi z dwóch różnych równań. Jego drugie prawo mówi, że siła F przyłożona do ciała o masie m daje przyspieszenie zgodnie z równaniem F = ma.

Jednakże siła grawitacji F przyłożona do ciała spełnia wzór F = mg, gdzie g zależy od tego, czy inne ciało oddziałuje z danym ciałem (zwykle Ziemia, gdy mówimy o grawitacji). W obu równaniach m jest współczynnikiem proporcjonalności, ale w pierwszym przypadku jest to masa bezwładności, a w drugim jest to masa grawitacyjna i nie ma oczywistego powodu, aby były one takie same dla dowolnego obiektu fizycznego.

Jednak wszystkie eksperymenty pokazują, że rzeczywiście tak jest.

Teoria grawitacji Einsteina

Za punkt wyjścia swojej teorii przyjął fakt równości mas bezwładności i grawitacji. Udało mu się skonstruować równania pola grawitacyjnego, słynne równania Einsteina i przy ich pomocy obliczyć prawidłową wartość precesji orbity Merkurego. Podają także zmierzoną wartość odchylenia promieni świetlnych przechodzących w pobliżu Słońca i nie ma wątpliwości, że dają prawidłowe wyniki dla grawitacji makroskopowej. Teoria grawitacji Einsteina, czyli ogólna teoria względności (GR), jak ją nazywał, jest jednym z największych triumfów współczesnej nauki.

Czy siły grawitacyjne przyspieszają?

Jeśli nie potrafisz odróżnić masy bezwładności od masy grawitacyjnej, to nie możesz też odróżnić grawitacji od przyspieszenia. Zamiast tego eksperyment z polem grawitacyjnym można przeprowadzić w przyspieszającej windzie przy braku grawitacji. Kiedy astronauta w rakiecie przyspiesza od Ziemi, doświadcza siły grawitacji kilka razy większej niż ziemska, z czego zdecydowana większość pochodzi z przyspieszenia.

Jeśli nikt nie potrafi odróżnić grawitacji od przyspieszenia, to to pierwsze zawsze można odtworzyć poprzez przyspieszenie. Układ, w którym przyspieszenie zastępuje grawitację, nazywa się inercyjnym. Dlatego Księżyc na orbicie okołoziemskiej można również uznać za układ inercjalny. Jednakże system ten będzie się różnić w zależności od punktu, w miarę zmiany pola grawitacyjnego. (Na przykładzie Księżyca pole grawitacyjne zmienia kierunek z jednego punktu do drugiego.) Zasada mówiąca, że ​​w dowolnym punkcie przestrzeni i czasu, w którym fizyka przestrzega praw w przypadku braku grawitacji, zawsze można znaleźć układ inercjalny, nazywa się zasada równoważności.

Grawitacja jako przejaw geometrycznych właściwości czasoprzestrzeni

Fakt, że siły grawitacyjne można traktować jako przyspieszenia w inercyjnych układach współrzędnych, które różnią się w zależności od punktu, oznacza, że ​​grawitacja jest pojęciem geometrycznym.

Mówimy, że czasoprzestrzeń jest zakrzywiona. Rozważmy piłkę na płaskiej powierzchni. Będzie spoczywać lub, jeśli nie ma tarcia, będzie poruszać się równomiernie, jeśli nie działają na niego żadne siły. Jeśli powierzchnia jest zakrzywiona, piłka przyspieszy i przesunie się do najniższego punktu, wybierając najkrótszą drogę. Podobnie teoria Einsteina stwierdza, że ​​czterowymiarowa czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, a ciało porusza się w tej zakrzywionej przestrzeni wzdłuż linii geodezyjnej odpowiadającej najkrótszej ścieżce. Dlatego pole grawitacyjne i siły grawitacyjne działające w nim na ciała fizyczne są wielkościami geometrycznymi zależnymi od właściwości czasoprzestrzeni, które najsilniej zmieniają się w pobliżu ciał masywnych.