Якби не було тяжіння землі - все що ви хотіли дізнатися
Таємнича сила
Сила тяжіння (або гравітація) міцно тримає нас на землі і дозволяє землі обертатися навколо сонця. Завдяки цій невидимій сіле1 дощ падає на землю, а рівень води в океані кожен день то підвищується, то знижується. Гравітація утримує землю в сферичній формі, а також не дає нашій атмосфері зникнути в космічний простір. Здавалося б, ця спостерігається щодня сила тяжіння повинна бути добре вивчена вченими. Але немає! Багато в чому гравітація залишається найглибшої таємницею для науки. Ця таємнича сила є чудовим прикладом того, наскільки обмежені сучасні наукові знання.
І вся ця колосальна сила виявляється лише в тому, що, викривляючи шлях руху Землі, кожну секунду змушує Землю ухилятися від дотичній на 3 мм; завдяки цьому шлях нашої планети і перетворюється в замкнуте, еліптичний. Чи не дивно: щоб присувати Землю кожну секунду на 3 мм, висоту цього рядка, - потрібна така велетенська сила! Це тільки показує, як величезна маса земної кулі, якщо навіть настільки жахлива сила може повідомити їй лише вельми незначне переміщення.
Зараз ми фантазували про те, що було б, якби взаємне тяжіння між Сонцем і Землею зникло: звільнившись від невидимих ланцюгів тяжіння, Земля помчала б в нескінченний простір всесвіту. Тепер пофантазуємо на іншу тему: що стало б з усіма земними предметами, якби не було тяжкості? Ніщо не прив'язувало б їх до нашої планети, і при найменшому поштовху вони неслися б геть в міжпланетний простір. Чи не довелося б, втім, чекати і поштовху: обертання нашої планети розкидало б в простір все, що неміцно пов'язане з її поверхнею.
Англійський письменник Уеллс скористався подібного роду ідеєю, щоб описати в романі фантастичну подорож на Місяць. У цьому творі ( «Перші люди на Місяці») дотепний романіст вказує на дуже оригінальний спосіб подорожувати з планети на планету. А саме: вчений, герой його роману, винайшов особливий склад, який має чудову властивість - непроникністю для сили тяжіння. Якщо шар такого складу підвести під якусь тіло, воно звільниться від тяжіння Землі і буде схильне до дії тяжіння тільки інших тіл. Ця фантастична речовина Уеллс назвав «кеворітом» - по імені його вигаданого винахідника Кевора.
«Ми знаємо, - пише романіст, - що для всесвітнього тяжіння, тобто для сили тяжіння, проникні всі тіла. Ви можете поставити перепони, щоб відрізати променям світла доступ до предметів; за допомогою металевих листів можете захистити предмет від доступу електричних хвиль радіотелеграфу, - але ніякими перешкодами не можете ви захистити предмет від дії тяжіння Сонця або від сили земного тяжіння. Чому власне в природі немає подібних перешкод для тяжіння, - важко сказати. Однак Кевор не бачив причин, чому б і не існувати такому речовині, непроникному для тяжіння; він вважав себе здатним штучно створити таке незворушне для тяжіння речовина.
Всякий володіє хоч іскрою уяви легко уявить собі, які надзвичайні можливості відкриває перед нами подібна речовина. Якщо, наприклад, потрібно підняти вантаж, то, як би величезний він не був, досить буде розстелити під ним лист з цієї речовини, - і вантаж можна буде підняти хоч соломинкою ».
Володіючи таким чудовим речовиною, герой роману споруджують небесний корабель, в якому і роблять сміливий політ на Місяць. Пристрій снаряда досить нескладно: в ньому немає ніякого рухового механізму, так як він переміщається дією тяжіння світил.
Ось опис цього фантастичного снаряда:
«Уявіть собі кулястий снаряд, досить просторий, щоб вмістити двох осіб з їх багажем. Снаряд матиме дві оболонки - внутрішню і зовнішню; внутрішня з товстого скла, зовнішня - сталева. Можна взяти з собою запас згущеного повітря, концентрованої їжі, апарати для дистиляції води і т. П. Сталева куля буде весь зовні покритий шаром "кеворіта". Внутрішня скляна оболонка буде суцільна, крім люка; сталева ж буде складатися з окремих частин, і кожна така частина може згортатися, як штора. Це легко влаштувати за допомогою особливих пружин; штори можна буде опускати і згортати електричним струмом, що проводяться по платиновим проводам в скляній оболонці. Але це вже технічні подробиці. Головне те, що зовнішня оболонка снаряда буде вся складатися як би з вікон і "кеворітних" штор. Коли все штори наглухо спущені, всередину кулі не може проникнути ні світло, ні будь-якої взагалі вид променевої енергії, ні сила всесвітнього тяжіння. Але уявіть, що одна з штор піднята, - тоді будь-який масивне тіло, яке випадково знаходиться далеко проти цього вікна, притягне нас до себе. Практично ми зможемо подорожувати в світовому просторі в тому напрямку, в якому побажаємо, притягує то одним, то іншим небесним тілом ».
Цікаво описаний у романіста самий момент відправлення міжпланетного вагона в шлях. Тонкий шар «кеворіта», що покриває зовнішню поверхню снаряда, робить його як би зовсім невагомим. Ви розумієте, що невагоме тіло не може лежати спокійно на дні повітряного океану; з ним має статися те ж, що сталося б з пробкою, зануреної на дно озера: пробка швидко спливла б на поверхню води. Точно так же невагомий снаряд, - відкидається до того ж і інерцією обертання земної кулі, - повинен стрімко злетіти вгору і, дійшовши до крайніх меж атмосфери, вільно продовжувати свій шлях в світовому просторі. Герої роману так і полетіли. А опинившись в світовому просторі, вони, відкриваючи одні заслінки, закриваючи інші, піддаючи внутрішність снаряда тяжінню то Сонця, то Землі, то Місяця, дісталися до поверхні нашого супутника. Згодом один з мандрівників в тому ж снаряді повернувся на Землю.
Не будемо зупинятися тут на розборі ідеї Уеллса по суті, - це зроблено мною в іншому місці [20], де я і з'ясував її неспроможність. Повіримо на хвилину дотепному романістові і підемо за його героями на Місяць.
Коротше, планети кружляють навколо світила, подібно до того, як поні, що катають дітей, ходять по колу, прив'язані до стовпа в центрі цього кола. Різниця тільки в способі прив'язки. Космічні тіла прив'язані до Сонця невидимими нитками гравітації. Правда, чим більше відстань між об'єктами, тим менше сила тяжіння між ними. Сонце набагато слабше притягує планету Плутон, найдальшу в Сонячній системі, ніж, скажімо, Меркурій або Венеру.
Сила гравітації зменшується (або збільшується) в залежності від відстані експоненціально
Ньютон застосував цей закон до руху комет і довів, що теоретично можливі параболічні руху. Він висловив припущення, що комети рухаються або по дуже витягнутих еліпсам, або по розімкненим кривим - парабола.
Грунтуючись на законі тяжіння, Ньютон порівняв маси Сонця, Землі і планет і доповнив цей закон новим положенням: сила тяжіння двох тіл залежить не тільки від відстані між ними, а й від їх мас. Він довів, що сила тяжіння двох тіл прямо пропорційна їх масам, т. Е. Вона тим більше, чим більша за масу взаємно притягуються тел.
Земні тіла також взаємно притягують один одного. Це виявляється при дуже точних дослідах.
Притягуються між собою і люди. Відомо, що двоє людей, віддалені один від одного на один метр, взаємно притягуються з силою, рівною приблизно однієї сороковий частці міліграма. Людина, що знаходиться на поверхні Землі, притягує її з силою, рівною його вазі.
Залежність сили тяжіння від відстані проявляється в тому, що чим далі предмети один від одного, тим слабкіше вони притягуються один до одного.
Незначна для невеликих мас сила тяжіння стає вельми відчутно, коли мова йде про колосальні масах небесних тіл. Так, навіть Нептун, дуже далека від нас планета, повільно кружляється майже на краю сонячної системи, шле нам свій «привіт» тяжінням Землі з силою 18 мільйонів тонн! Незважаючи на величезну відстань, яка відділяє нас від Сонця, Земля утримується на своїй орбіті єдино лише силою тяжіння. Якби сила сонячного тяжіння чомусь зникла, Земля полетіла б по лінії, дотичної до її орбіти, і навіки помчала б в бездонну глиб світового простору.
На металургійних заводах припинилася плавка в величезних доменних печах. Адже і в них засипана зверху руда і вугілля своєю вагою поступово опускаються вниз, назустріч їм піднімається легкий гарячий газ, а в нижню частину печі стікає розплавлений метал.
Зупинилися не тільки теплові, а й гідроелектростанції: немає більше напору води, який обертав їх турбіни і залежав від різниці рівнів річки по обидва боки греблі, немає більше «падіння» води через турбіни від дії тяжіння Землі. Заводи, фабрики, міста позбулися електроенергії, зупинилися машини, згасло освітлення ...
Але це було дуже давно. У наш час таких змін не відбувається. Сонце вже давно пережило своє бурхливе «дитинство» і «юність» і набуло стійкий стан цілком «зрілої» зірки. Воно, правда, і тепер продовжує розсіювати і втрачати невелику частину свого речовини, але настільки малу, що це не змінює помітно його масу і силу тяжіння. А з іншого боку, в міжпланетному просторі хоча і є невелика кількість газу, але щільність його величина настільки мала, що він практично не робить гальмуючого дії на рух планет і не зменшує їх швидкість. І взагалі в русі Землі і планет навколо Сонця тепер існує певна стійка рівновага. Воно встановилося мільярди років тому, за часів народження і молодості нашої сонячної системи. І, ймовірно, воно буде зберігатися в майбутньому ще багато мільярдів років.
Це не означає, однак, що в русі Землі і планет не відбувається ніяких змін. Незмінного немає нічого в природі. Від дії взаємного тяжіння планет шляхи їх поступово, за дуже великі терміни, дещо змінюються. Збільшується або зменшується і відстань планет від Сонця. Але це тимчасові, періодичні зміни, які відбуваються то в одну, то в іншу сторону, подібно коливань якогось гігантського маятника. Відбуваються вони за тисячі і мільйони років.
Викликаючи прецесію, Місяць, завдяки деяким особливостям свого руху, вносить в неї і деякі періодичні відхилення, що отримали назву нутації і володіють 19-річним періодом. Зі зникненням Місяця повністю зникла б і нутація.
другий
закон: Радіус-вектор
(Лінія, що з'єднує
сонце
і
планету) описує
за рівні
проміжки
третій
закон: Квадрати
періодів звернення
планет
пропорційні
кубів їх середніх
значення
праць Кеплера
величезне. він
відкрив закони,
які потім
ньютон пов'язав
з законом
всесвітнього
тяготеніяю
Звичайно, сам
Кеплер не віддавав
собі звіту
в тому, до чого
приведуть його
відкриття. "Він
займався
нудними
натяками
емпіричних
правил, які
в майбутньому повинен
був привести
до раціонального
увазі Ньютон ".
Кеплер не міг
пояснити,
ніж обумовлено
існування
еліптичних
орбіт, але захоплювався
тим, що вони
існують.
на
основі третього
закону Кеплера
ньютон зробив
висновок, що сили
тяжіння
повинні спадати
зі збільшенням
відстані
і що тяжіння
має змінюватися
як (відстань) -2.
відкривши закон
всесвітнього
тяжіння,
ньютон переніс
просте уявлення
про про рух
Місяця на всю
планетну
систему. він
показав, що
тяжіння
по виведеним
їм законам
обумовлює
рух планет
по еліптичних
орбітах, причому
в одному з фокусів
еліпса має
знаходиться
Сонце. йому
вдалося легко
вивести два
інших закону
Кеплера, які
також випливають
з його гіпотези
всесвітнього
тяжіння.
ці закони
справедливі,
якщо враховується
тільки тяжіння
Сонцем. але
потрібно враховувати
і дію
на рухому
планету інших
планет, хоча
в Сонячній
системі ці
тяжіння
малі в порівнянні
з тяжінням
Сонця.
другий
закон Кеплера
випливає з
довільної
залежно
сили тяжіння
від відстані,
якщо ця сіладействует
по прямій, що з'єднує
центри планети
і Сонця. але
першому і третьому
законам Кеплера
задовольняє
тільки закон
зворотного
пропорційності
сил тяжіння
квадрату відстані.
щоб
отримати третій
закон Кеплера,
ньютон просто
об'єднав
закони руху
з законом
всесвітнього
тяжіння.
для випадку
кругових орбіт
можна міркувати
наступним
чином: нехай
планета, маса
якої дорівнює
m, рухається зі
швидкістю v по
окружності
радіуса R навколо
Сонця, маса
якого дорівнює
М. Це рух
може здійснюватися
тільки в тому
випадку, якщо
на планету
діє
зовнішня сила
F = mv 2 / R,
створює
доцентрове
прискорення
v 2 / R.
Припустимо,
що тяжіння
між Сонцем
і планетою
як раз і створює
необхідну
силу. тоді:
і
відстань
r між m і M одно
радіусу орбіти
R. Але швидкість
де
Т - час, за
яке планета
здійснює
один оборот.
тоді
щоб
отримати третій
закон Кеплера,
потрібно перенести
всі R і Т в одну
сторону рівняння,
а всі інші
величини - в
іншу:
R 3 / T 2
= GM / 4p 2
якщо
перейти тепер
до іншої планети
з іншим радіусом
орбіти і періодом
звернення, то
нове ставлення
знову буде
одно GM / 4p 2;
ця величина
буде однаковою
для всіх планет,
так як G універсальна
постійна,
а маса М - одна
і та ж для всіх
планет, що обертаються
навколо Сонця.