Гравитация
от Уикипедия, свободната енциклопедия
 |
Тази статия се нуждае от вниманието на редактор с по-задълбочени познания. Моля, помогнете да се намери такъв редактор или подобрете тази страница, ако можете. |
| Тази статия е част от серията статии на тема Класическа механика |
 |
| Импулс . Сила . Енергия . Работа . Мощност . Скорост . Ускорение . Инерционен момент . Момент на сила . Момент на импулса
Основни понятия
Пространство . Време . Маса . Тегло . Гравитация Формулировки
Раздели
Закони за запазване
|
В класическата механика гравитацията е естествено явление, което се изразява в наличието на сила на взаимно привличане между всички материални обекти които притежават маса. Гравитацията е едно от четирите фундаментални взаимодействия в природата. Гравитационното взаимодействие, подобно на електромагнитното взаимодействие е дългообхватно и се подчинява на закона на обратните квадрати, но за разлика от електромагнитното взаимодействие, силата с която се проявява гравитационното взаимодействие винаги е насочена по посока на привличане между обектите и никога в посока на отблъскване. В ежедневието гравитацията се свързва със свойството на телата да тежат, тоест да изпитват привличане към Земята. Единственото условие за наличие на гравитация е наличието на обекти с маса; между всеки два обекта с маса във Вселената съществува гравитационно взаимодействие, оттук следва че всеки отделен обект с маса във Вселената изпитва привличане едновременно към всички останали обекти във Вселената и на свой ред ги привлича.
Първия математически модел, описващ гравитацията, е създаден от сър Исак Нютон и е изложен в публикувания от него през 1687 труд Математически принципи на естествената философия (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) Основните следствия от този труд са законите на Нютон за движението и закона на Нютон за всемирното привличане (гравитация).
Нютон предположил наличието на сила на „универсално гравитационно притегляне“. Неговият закон за гравитацията гласи:
- „Силата с която две материални точки се привличат взаимно е правопропорционална на произведението от масите им и обратнопропорционална на квадрата на разстоянието между тях. “
В наши дни законът на Нютон е заменен от общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, но в повечето случаи, отнасящи се за слаби гравитационни полета (например изпращане на ракети до Луната или в Слънчевата система), формулата на Нютон е достатъчно точна.
Като резултат от действието на гравитацията се обясняват приливите и отливите, конвекцията (при която по-топлите флуиди (течностите и газовете) се изкачват), нагряването на вътрешността на новообразуващите се звезди и планети до много високи температури и редица други наблюдавани явления. Гравитацията също е и причината за съществуването на Земята, Слънцето и повечето макроскопични тела във Вселената; без нея материята не би се съединила в такива големи маси и животът, какъвто го познаваме, не би съществувал.
Модерната физика описва гравитацията чрез Общата теория на относителността, но доста по-опростеният закон на Нютон за гравитацията дава отлични приблизителни резултати в повечето случаи.
В научната терминология гравитацията и гравитационната сила са различни понятия. "Гравитацията" представлява привличащото влияние, което всички тела си упражняват едно на друго, докато гравитационната сила е директно следствие от това влияние, обусловено от наличието на гравитация, но определено от конкретните параметри на привличащите се тела. Въпреки че тези две понятия са еквивалентни в ежедневието, в теориите, освен Нютоновата, гравитацията е резултат от фактори, различни от гравитационната сила. Например в Общата теория на относителността гравитацията е резултат на изкривявания на времепространството, които карат тела, движещи се по инерция да се ускоряват едно към друго. Друг (отхвърлен) пример е теорията на Ле Саж за гравитацията, според която масивните тела са ефективно бутани едно към друго.
Съдържание |
[редактиране] История на гравитационната теория
[редактиране] Ранна история
От древни времена съществуват много опити да се разбере и обясни гравитационната сила.
Философът в древна Индия от 8 век пр.н.е. Канада, основателят на школата Вайшешика, се опитал да обясни гравитационната сила: „Тежестта причинява падане, това е неосезаемо и се знае по подразбиране.“
Гръцкият философ Аристотел от 4 век пр.н.е. вярвал, че няма ефект без причинител и следователно няма движение без сила. Той изказал хипотезата, че всичко се опитва да се движи към точното си място в кристалните сфери на небесата и физическите тела падат към центъра на Земята пропорционално на тяхното тегло.
[редактиране] Научната революция
Развитието на модерната обосновка на гравитационния закон започва с тази на Галилео Галилей в края на 16 век и началото на 17 век. Чрез известния си опит с пускане на топчета от кулата в Пиза и по-късно с внимателни измервания на топчета, търкалящи се по наклон. Галилео показал, че гравитацията привлича телата с едно и също ускорение. Това е главното отклонение от вярванията на Аристотел, според който по-тежките тела ускоряват по-бързо (Галилео точно посочва съпротивлението на въздуха като причината за впечатлението, че по-леките тела падат по-бавно). Работата на Галилео дава основи на формулировката на теорията на Нютон за гравитацията.
[редактиране] Закон на Нютон за гравитацията
През 1687 г. английският математик сър Исак Нютон публикува „Principia“, в която изказва хипотезата за обратнопропорционално-квадратния закон за гравитацията във Вселената. Той казва: „Аз заключих, че силите, които придържат планетите към техните орбити, трябва да са реципрочни на квадрата на разстоянието помежду им. Ето защо сравних силата, нужна за да държи Луната в орбитата ̀и, с гравитационната сила на повърхността на Земята и открих, че резултатите са доста близки.“
Нютоновият закон преживява големия си успех, след като е използван за предвиждането на съществуването на планетата Нептун, базирайки се на движенията на Уран, които не биха могли да се обяснят чрез действията на другите планети. Пресмятанията и на Джон Кох Адамс, и на Urbain Le Verrier, предсказват приблизителната позиция на планетата, а изчисленията на Le Verrier довеждат до откриването на Нептун от Johann Gottfried Galle.
По ирония на съдбата, аномалия в орбитата на друга планета помогнала за опровергаването на Нютоновия закон. В края на 19 век се знаело, че орбитата на Меркурий не може да се определи напълно чрез закона на Нютон, въпреки всички търсения за друго смущаващо орбитата тяло (като планета, обикаляща около Слънцето, по-близо дори от Меркурий) били безплодни. Проблемът бил разрешен през 1915 г. от Общата теория на относителността на Айнщайн, която обяснява нарушенията в орбитата на Меркурий.
Въпреки че Нютоновият закон бил изместен, повечето модерни неотносителни гравитационни изчисления се базират на него, защото е много по-лесен за работа и дава достатъчно точни резултати за повечето нужди.
Макар Нютон сам да създава закон, който да описва гравитацията на определени мащаби, той не успява да създаде теория за гравитацията и разбирането за това кое причинява самото притегляне. Трудът му „Principia” завършва с думите: „До сега аз изяснявах небесните явления и приливите на моретата на основание силите на привличане, но аз не посочих причините на самото притегляне. Тази сила произлиза от някаква причина, която прониква до центъра на Слънцето и планетите без намаляване на тази способност… като нейното действие се разпространява на огромни разстояния, намалявайки пропорционално на квадрата на разстоянието… Причината за тези свойства на силите на привличане аз до сега не мога да изведа от явленията, а хипотези аз не измислям”.
[редактиране] Обща теория на относителността
Според Общата теория на относителността, ефектът на гравитацията се приписва на изкривявания на времепространството вместо на някаква сила. В основата на Общата теория на относителността лежи принципът на еквивалентността, който уеднаквява свободното падане с движението по инерция. Проблемът, който изниква, е, че свободно падащите тела ускоряват едно към друго с определено отношение. В Нютоновата физика такова ускорение може да се появи само ако на едно от телата действа сила (и следователно то не се движи по инерция).За да се справи с тази пречка, Айнщайн предположил, че времепространството се изкривява от материята и свободно падащите тела се движат по частично прави пътища в изкривеното времепространство (този тип път се нарича геодезичен). По-специално Айнщайн открива уравненията на полето в общата относителност,чрез които намира отношение между присъствието на материя и изкривяванията на времепространството. Тези уравнения са кръстени на него. Уравненията на Айнщайн за полето са съставени от 10 едновременни, нелинейни, диференциални уравнения. Решенията на уравненията за полето са компоненти на метричния тензор на времепространството. Даден метричен тензор описва гоеметрията на дадено времепространство. Геодезичните пътища на дадено времепростраство се изчисляват чрез метричния тензор.
Уравненията на Айнщайн за полето дават забележителни решения като:
