Карл Саган Гравитационное взаимодействие

гравитация
Цели и задачи учебного занятия: познакомить с видами взаимодействий в
природе и видами сил в механике; изучить гравитационное взаимодействие
тел и его закона – всемирного тяготения; познакомиться с логикой научного
познания при открытии закона всемирного тяготения.
Продолжить знакомить учащихся с взаимосвязанностью и обусловленность
явлений окружающего мира.
Проверить уровень самостоятельности мышления учащихся по применению
знаний в различных ситуациях. Продолжить работу по формированию
умений обобщать опытные данные на основе имеющихся знаний о законах
движения.
Гравита́ция (притяжение, всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние)
(от лат. gravitas — «тяжесть») —
универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми
материальными телами.
В приближении малых скоростей и слабого гравитационного
взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в
общем случае описывается общей теорией
относительности Эйнштейна.
Гравитация является самым слабым из четырёх
типов фундаментальных взаимодействий.
В квантовомпределе гравитационное взаимодействие должно
описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё
полностью не разработана.
Гравитация была первым взаимодействием, описанным
математической теорией.
Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с
разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей
экспериментально определил, что это не так — если
сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются
одинаково.
Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687)
хорошо описывал общее поведение гравитации.
В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию
относительности, более точно описывающую гравитацию
в терминах геометрии пространства-времени.
В 1 667 г. Ньютон высказал предположение, что между
всеми и действуют силы взаимного притяжения, которые
он назвал силами всемирного тяготения.
В настоящее время механизм гравитационного
взаимодействия представляется следующим образом.
Каждое тело массой М создает вокруг себя поле, которое
называют гравитационным. Если в некоторую точку
этого поля поместить пробное тело массой т, то
гравитационное поле действует на данное тело с силой F,
зависящей от свойств поля в этой точке и от величины
массы пробного тела.
В рамках классической
механики гравитационное
взаимодействие
описывается законом всемирного
тяготенияНьютона, который гласит,
что сила гравитационного
притяжения между двумя
материальными точками массы и ,
разделёнными расстоянием ,
пропорциональна обеим массам и
обратно пропорциональна квадрату
расстояния — то есть:
Закон всемирного тяготения имеет определенные
границы применимости.
Он применим для: материальных точек; тел,
имеющих форму шара; шара большого радиуса,
взаимодействующего с телами, размеры которых
много меньше размеров шара.
Сила тяготения очень мала и становится заметной
только тогда, когда хотя бы одно из
взаимодействующих тел имеет очень большую
массу (планета, звезда).
Закон неприменим, например, для взаимодействия
бесконечного стержня и шара.
Показатели g – ускорение свободного падения на
Солнце и планетах солнечной системы:
Солнце: 274 м/c2
Меркурий: 3,7 м/c2
Венера: 8,9 м/c2
Земля: 9,8 м/c2
Луна: 1,62 м/c2
Марс: 3,7 м/c2
Юпитер: 25,8 м/c2
Сатурн: 11,3 м/c2
Уран: 9 м/c2
Нептун: 11,6 м/c2
Из этой таблицы видно, что наибольшее ускорение
свободного падения и, следовательно, наибольшая сила
тяжести на Юпитере. Это самая большая планета
Солнечной системы; ее радиус в 11 раз, а масса в 318 раз
больше, чем у Земли. Слабее всего притяжение на
далеком Плутоне. Эта планета меньше Луны: ее радиус
всего лишь 1150 км, а масса в 500 раз меньше, чем у
Земли!
Еще меньшей массой обладают малые планеты
Солнечной системы. 98% этих небесных тел
обращаются вокруг Солнца между орбитами Марса и
Юпитера, образуя так называемый пояс астероидов.
Первый и самый большой астероид - Церера был открыт
в 1801 г. Его радиус около 500 км, а масса примерно
1,2•1021 кг (т.е. в 5000 раз меньше, чем у Земли).
Нетрудно подсчитать, что ускорение свободного
падения на Церере примерно в 32 раза меньше, чем на
Земле! Во столько же раз меньше там оказывается и вес
любого тела. Поэтому космонавт, оказавшийся на
Церере, смог бы поднять груз массой 1,5 т
Наука доставляет истинное наслаждение. Так устроено
эволюцией, что мы получаем удовольствие от познания, —
познающие выживают с большей вероятностью.
Космос — это все, что есть, что когда-либо было и когданибудь будет. Одно созерцание Космоса потрясает: дрожь
бежит по спине, перехватывает горло, и появляется
чувство, слабое, как смутное воспоминание, будто
падаешь с высоты. Мы сознаем, что прикасаемся
к величайшей из тайн.
Карл Саган
Гравитационное взаимодействие - это взаимодействие ,
свойственное всем телам Вселенной и проявляющееся в их
взаимном притяжении друг к другу.
Гравитационное поле - особый вид материи,
осуществляющий гравитационное взаимодействие.
Следует обратить внимание на то, что сформулированный :
закон всемирного тяготения справедлив лишь для
материальных точек. Ньютон также доказал, что закон
справедлив для шаров, плотность которых распределена
симметрично относительно их центров. В этом случае R это расстояние между центрами шаров.
Закон всемирного тяготения справедлив для точечных, а
также сферически симметричных тел. Приближенно он
выполняется для любых тел, если расстояние между ними
значительно больше их размеров.
Представьте, что мы живем в необычной стране, где все абсолютно плоское.
Вслед за Эдвином Эбботом, исследователем Шекспира, жившим
в викторианской Англии, назовем ее Флатландией (от англ. flat — плоский. —
Пер.). Некоторые из нас — квадраты, другие — треугольники, а кое-кто имеет
более сложные очертания. Мы снуем мимо наших плоских домов, выходим,
занимаемся своими плоскими делами и плоско развлекаемся. Все жители
Флатландии имеют ширину и длину, но не имеют высоты. Мы знаем, что такое
направо и налево, вперед и назад, но никто, кроме наших плоских математиков,
не имеет ни малейшего представления о том, что есть верх и низ. Они говорят:
«Послушайте, это в самом деле очень просто. Представьте
себедвижение влево-вправо. Теперь движение вперед-назад. Пока всё
в порядке? Теперь вообразите другое измерение, под прямым углом к нашим
двум». А мы отвечаем: «Что вы несете? Как это «Под прямым углом к нашим
двум»?! Существуют только два измерения. Покажите нам третье измерение.
Где оно? » И математики в унынии удаляются. Никто не слушает математиков.
Карл Саган
В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие
является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни
двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит
только от положения тела в данный момент времени.
Исаак Ньютон - английский физик и
математик, создатель теоретических основ
механики и астрономии. Он открыл закон
всемирного тяготения, разработал
дифференциальное и интегральное
исчисления, изобрел зеркальный телескоп и
был автором важнейших
экспериментальных работ по оптике.
Ньютона по праву считают создателем
классической физики.
Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную
массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.
Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на
любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная
сила во Вселенной.
В частности, электромагнитное взаимодействие между телами в космических
масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю
(вещество в целом электрически нейтрально).
Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии
на всю материю и энергию.
Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное
взаимодействие.
Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие
крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и
расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления —
орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения
тел.
Большинство полагает, что открытие существования чёрных дыр — заслуга
Альберта Эйнштейна.
Однако Эйнштейн закончил свою теорию к 1916-му году, а Джон Митчелл
обдумывал эту идею ещё в далёком 1783-м. Она не нашла применения потому,
что этот английский священник просто не знал, что с ней делать.
Митчелл начал разрабатывать теорию чёрных дыр, когда принял идею
Ньютона, согласно которой свет состоит из маленьких материальных частиц,
называемых фотонами. Он размышлял о движении этих световых частиц
и пришёл к выводу, что оно зависит от гравитационного поля звезды, которую
они покидают. Он пытался понять, что произойдёт с этими частицами, если
гравитационное поле будет слишком большим, чтобы свет мог его покинуть.
Попробуйте представить космос в виде резинового листа. Представьте, что
планеты — это шарики, которые давят на этот лист. Он деформируется
и больше не имеет прямых линий. Это создаёт гравитационное поле
и объясняет, почему планеты движутся вокруг звёзд.
Если масса объекта возрастёт, то деформация пространства может стать ещё
больше. Эти дополнительные возмущения увеличивают силу притяжения
и ускоряют движение по орбите, заставляя спутники двигаться вокруг
объектов всё быстрее и быстрее.
Например, Меркурий движется вокруг солнца со скоростью 48 км/с,
в то время как орбитальная скорость звёзд неподалёку от чёрной дыры
в центре нашей галактики достигает 4800 км/с.
Если сила притяжения достаточно сильна, то спутник сталкивается с большим
по размеру объектом.
Чёрным дырам необходимо быть чрезмерно массивными при невероятно
маленьких размерах, чтобы создавать достаточно большую силу притяжения для
сдерживания света. К примеру, если сделать чёрную дыру массой равной массе
Земли, то получится шарик с диаметром всего 9 мм.
Чёрная дыра, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца, может
уместиться в пространство между Меркурием и Солнцем. Чёрные дыры в центре
галактик могут иметь массу, превышающую массу Солнца от 10 до 30 миллионов
раз.
Такая большая масса на таком маленьком пространстве означает, что чёрные дыры
имеют невероятно большую плотность и силы, действующие внутри них, также
очень сильны.
Всё, что окружает чёрную дыру, затягивается в эту бездну и одновременно
с этим ускоряется. Горизонт событий (граница области пространствавремени, начиная с которой информация не может достичь наблюдателя
из-за конечности скорости света; прим. mixstuff) разгоняет частицы почти
до скорости света.
Во время пересечения материей центра горизонта событий возникает
булькающий звук. Этот звук является преобразованием энергии движения
в звуковые волны.
В 2003-м году астрономы с помощью космической рентгеновской
обсерватории Чандра зафиксировали звуковые волны, исходящие
от сверхмассивной чёрной дыры, находящейся на расстоянии
250 миллионов световых лет.
Они достаточно шумные
Когда что-либо (это может быть и планета, и звезда, и галактика, и частица
света) проходит достаточно близко от чёрной дыры, то этот объект неизбежно
будет захвачен её гравитационным полем. Если что-то ещё воздействующее
на объект, скажем, на ракету, сильнее силы притяжения чёрной дыры,
то он сможет избежать поглощения.
До тех пор, конечно, пока оно не достигнет горизонта событий. Точки, после
которой покинуть чёрную дыру уже невозможно. Для того, чтобы покинуть
горизонт событий, необходимо развить скорость, большую чем скорость света,
а это невозможно.
Это тёмная сторона чёрной дыры — если уж свет не может её покинуть,
то мы никогда не сможем заглянуть внутрь.
Учёные полагают, что даже маленькая чёрная дыра разорвёт вас на куски задолго
до того, как вы проскочите через горизонт событий. Сила притяжения тем
больше, чем вы ближе к планете, звезде или чёрной дыре. Если вы летите
к чёрной дыре вперёд ногами, то сила притяжения в ваших ступнях будет
намного больше, чем в голове. Это и разорвёт вас на части.
Свет огибает горизонт событий, но, в конечном счете, он захватывается
в небытие, когда проникает внутрь.
Можно описать то, что произойдёт с часами, если они попадут внутрь чёрной
дыры и уцелеют там. По мере приближения к горизонту событий, они будут
замедляться и в конце концов полностью остановятся.
Эта заморозка времени происходит вследствие гравитационного замедления
времени, которое объясняется теорией относительности Эйнштейна. Сила
притяжения в чёрной дыре настолько велика, что она может замедлять время.
С точки зрения часов, всё идёт нормально. Часы пропадут из поля зрения,
в то время как свет от них будет ещё растягиваться. Свет будет становиться всё
более красным, длина волны будет увеличиваться и в итоге он выйдет
за пределы видимого спектра.
Они замедляют время
Чёрные дыры засасывают всю окружающую массу. Внутри чёрной дыры всё
это прессуется настолько сильно, что пространство между отдельными
элементами атомов сжимается, и в результате образуются субатомные частицы,
способные вылетать наружу. Эти частицы вырываются из чёрной дыры
благодаря линиям магнитного поля, пересекающим горизонт событий.
Выделение частиц создаёт энергию довольно эффективным способом.
Преобразование массы в энергию этим путём в 50 раз намного более
эффективно, нежели ядерный синтез.
Они являются совершенными
производителями энергии
Карл Э́двард Са́ган — американский астроном,
астрофизик и выдающийся популяризатор науки
Однажды известный астрофизик, Карл Саган, сказал: во Вселенной больше
звёзд, чем песчинок на пляжах всего мира. Но похоже, что во Вселенной
всего 1022 звезды.
Это число определяется количеством чёрных дыр. Потоки частиц,
выпускаемые чёрными дырами, расширяются до пузырей, которые
распространяются сквозь области формирования звёзд. Области
формирования звёзд — это участки газовых облаков, которые могут
охлаждаться и образовывать звёзды. Потоки частиц нагревают эти газовые
облака и предотвращают появление звёзд.
Это означает, что существует сбалансированное соотношение между
количеством звёзд и активностью чёрных дыр. Очень большое количество
звёзд расположенных в галактике сделает её слишком горячей
и взрывоопасной для развития жизни, однако слишком маленькое количество
звёзд также не способствует возникновению жизни.
Некоторые исследователи полагают, что чёрные
дыры помогут нам при создании новых
элементов, потому что они разбивают материю
на субатомные частицы.
Эти частицы участвуют в образовании звёзд, что
в свою очередь ведёт к созданию элементов
тяжелее гелия, таких как железо и углерод,
необходимых для образования твёрдых планет
и жизни. Эти элементы входят в состав всего, что
имеет массу, а значит и нас с вами.
Источник: www.mixstuff.ru
Английский физик Генри Кавендиш в 1798 г. определил, насколько
велика сила притяжения между двумя объектами. В результате была
достаточно точно определена гравитационная постоянная, что
позволило Кавендишу впервые определить массу Земли.
Опыты проводились при помощи крутильных весов. На длинном
стержне уравновешивались два маленьких шарика одинаковой массы
m. Стержень был подвешен на тонкой проволоке. К маленьким
шарикам с противоположных сторон стержня подставлялись на
близком расстоянии большие свинцовые шары. Масса каждого
большого шара была равна М. При сближении шаров проволока
закручивалась. Угол закручивания проволоки регистрировался на
шкале по повороту светового пучка, отраженного от зеркальца. По
углу закручивания проволоки определялся момент силы упругости
равный моменту пары сил, возникающих при притяжении маленьких
шариков к большим шарикам.
G - гравитационная постоянная, она численно равна
силе гравитационного притяжения двух тел, массой по
1 кг, находящихся расстоянии 1 м одно от другого.
G =6,67 10-11 Н*м2/кг2
Сила взаимного притяжения тел всегда направлена
вдоль прямой, соединяющей эти тела.
Ничтожная для небольших масс сила тяготения
становится весьма ощутимой, когда речь идет о
колоссальных массах небесных тел. Так, даже
Нептун - очень далекая от нас планета, медленно
кружащаяся на краю Солнечной системы, - шлет
нам свой «привет» притяжением силой 18
миллионов тонн.
• Удивительный и странный
По устройству мир земной!
Во всемирной постоянной
Смысл содержится простой:
Притяжения здесь сила
Для двух тел отражена,
Килограмм у каждой было,
Между ними – метр длина.
Гравитационная постоянная не зависит от
рода вещества и внешних условий, ее
значение одинаково для любого места
Вселенной.
Гравитационные силы являются
всеобщими и универсальными, а закон
тяготения — всемирный, то константа G
не просто коэффициент, а универсальная,
мировая постоянная.
Она лежит в основе наших знаний о мире.
С ее помощью описываются явления
гравитационного взаимодействия всех
материальных объектов.
Подумай и ответь
1. Почему Луна не падает на Землю?
2. Почему мы замечаем силу притяжения всех тел к
Земле, но не замечаем взаимного притяжения между
самими этими телами ?
3. Как двигались бы планеты, если бы сила притяжения
Солнца внезапно исчезла?
4. Как двигалась бы Луна, если бы она остановилась на
орбите?
5. Притягивает ли Землю стоящий на ее поверхности
человек? Летящий самолет? Космонавт, находящийся на
орбитальной станции?
Мини-тест
1. Какая сила заставляет Землю и другие планеты двигаться вокруг
Солнца? Выберите правильное утверждение.
А. Сила инерции.
В. Центростремительная сила.
С. Сила тяготения.
2. Какая сила вызывает приливы и отливы в морях и океанах Земли?
Выберите правильное утверждение.
А. Сила давления воды на дно морей и океанов.
В. Сила тяготения.
С. Сила атмосферного давления.
3.
4.
5.
Что нужно сделать, чтобы увеличить силу тяготения между двумя
телами? Выберите правильное утверждение.
А. Удалить оба тела друг от друга.
Б. Сблизить оба тела.
Подумай и ответь
6. Некоторые тела (воздушные шары, дым,
самолеты, птицы) поднимаются вверх, несмотря на
тяготение. Как вы думаете, почему? Нет ли здесь
нарушения закона всемирного тяготения?
7. Что нужно сделать, чтобы увеличить силу
тяготения между двумя телами?
8. Какая сила вызывает приливы и отливы в морях
и океанах Земли?
9. Почему мы не замечаем гравитационного
притяжения между окружающими нас телами?