Одной из фундаментальных сил в Природе является Сила Всемирного Тяготения. Рассмотрим особенности этой силы подробнее.
Анализируя законы Кеплера, И. Ньютон понял, что выводы, к которым он пришел, изучая движения и взаимодействия тел в лаборатории, можно применить и к небесным телам.
В частности, вывод о том, что причиной ускорения всегда является какая-то сила, действующая на тело. Луна, вращающаяся вокруг Земли, движется с постоянным центростремительным ускорением, и, значит, причиной этого ускорения является сила притяжения Земли. Земля вращается вокруг Солнца, следовательно, Солнце тоже притягивает Землю. Расчеты позволили И. Ньютону сделать вывод, что притяжение вообще свойственно всем телам во Вселенной. Поэтому этот закон был назван Законом Всемирного тяготения.
Согласно Закону, открытому Ньютоном, сила тяготения двух материальных точек пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
$$F=G{m_1m_2over R^2}$$
На основании открытого Закона был уточнен Третий закон Кеплера, и это уточнение позволило определять массы небесных тел, если известны параметры их орбит.
Гравитационная постоянная
В формулу силы всемирного тяготения входит коэффициент пропорциональности $G$. Что это за константа, и каков ее физический смысл ?
Если выразить этот коэффициент через остальные величины, то получим выражение:
$$G=F{R^2over m_1m_2}$$
Из этой формулы следует, что для единичных масс и единичного расстояния $G=F$. То есть, гравитационная постоянная – это сила гравитации, которая действует между двумя телами единичной массы, находящимися на единичном расстоянии. В этом ее физический смысл.
Из приведенной формулы можно также вывести размерность гравитационной постоянной. А вот определение ее значения требует достаточно тонкого эксперимента. Обуславливается это слабостью гравитационных сил, достаточно заметными они становятся только для очень больших масс, прямые измерения которых невозможны. Если же массы будут малыми, и сила получается настолько малой, что для ее измерения потребовался специальный прибор – крутильные весы. Эксперимент с крутильными весами был поставлен лишь в конце XVIIIв Г. Кавендишем.
Значение, полученное им, было равно:
$$G=6.67×10^{-11}{Н×м^2over{кг^2}}$$
Особенности сил гравитации
Среди особенностей сил гравитации можно выделить следующие.
- Это самая слабая из всех природных сил.
- Гравитация, как и электромагнетизм, действует на любых расстояниях лишь уменьшая свою силу, но не исчезая полностью в отличие от ядерного взаимодействия.
- Это единственная сила, сообщающая телам одинаковое ускорение, независимо от их массы. Объясняется это тем, что, хотя тело большей массы обладает большей инерцией, и сила гравитации для большего тела получается больше.
Мы не замечаем гравитацию из-за ее слабости. Два человека, находящиеся на расстоянии 3 м притягиваются друг к другу с силой 3 мкг. Если бы не было трения, они бы притянулись друг к другу за 30 часов, развив в момент касания скорость 40 мм в час. Поэтому главную роль гравитация имеет в космосе. Например, звезда Сириус, хотя и находится в восьми световых годах от Солнца, тем не менее, посылает ему свой «гравитационный привет» в 7 триллионов тонн.
Что мы узнали?
Сила всемирного тяготения действует на все массы во Вселенной и заставляет их притягиваться друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
