Сила тяжести
Гравитация
Гравитация - одна из четырёх базовых сил природы. Её действие проявляется между любыми материальными объектами, обладающими массой: от атомов до галактик. Любые тела, масса которых отлична от нуля, будут притягивать друг друга - это и есть действие гравитации.
Гравитация — фундаментальное взаимодействие природы, действующее между телами, обладающими массой. Одна из четырёх базовых сил природы.
Гравитация - дальнодействующее взаимодействие. То есть, она действует на расстоянии и не требует, чтобы притягивающие друг друга тела контактировали или были связаны условной "нитью" - физическим посредником. Но её действие ослабевает с увеличением расстояния между телами: чем дальше они удаляются друг от друга, тем слабее гравитация.

Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях и все массы положительны, это очень важное воздействие во Вселенной. Она ответственна за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, чёрные дыры и расширение Вселенной, а также за более простые астрономические явления — орбиты планет, притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Большие космические объекты — планеты, звёзды и галактики — имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля. У микроскопических объектов масса может быть очень мала, но не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Наша лучшая и самая точная теория гравитации - это общая теория относительности Альберта Эйнштейна (ОТО). В ОТО утверждается, что причина существования гравитации - это искривление пространства-времени под действием присутствующей в нём массы. Очень красивая и очень точная теория, о которой можно подробнее узнать здесь👈
Проявление гравитации как искривления пространства-времени

Сила тяжести
Особый случай проявления гравитации - это притяжение между очень массивным объектом (планетой, звездой) и сравнительно маленьким объектом, находящимся у его поверхности.

В таком случае по-прежнему оба объекта притягивают друг друга под действием гравитации, но влияние массивного объекта гораздо сильнее. Поэтому, в таком случае, мы условно считаем, что притяжение действует "в одну сторону": большой объект притягивает маленький, планета притягивает яблоко.

Это частное проявление гравитации носит специальное название - сила тяжести. Для нас с вами наиболее важна сила тяжести Земли.

Земля притягивает всё, что находится вокруг неё: твёрдые тела, жидкости и газы. Из-за того, что существует сила тяжести, возможно существование атмосферы (молекулы газа не улетают в космос), воды морей и океанов удерживаются на своих местах, предметы падают вниз - в направлении Земли.
Сила тяжести — это сила гравитации, с которой астрономический объект (планета, звезда) притягивает физическое тело, находящееся на её поверхности или вблизи неё.

От чего зависит сила тяжести?
Несмотря на то, что общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна даёт очень точные результаты, на практике гораздо удобнее пользоваться менее точным, но более простым в расчётах законом всемирного тяготения Исаака Ньютона.
Закон всемирного тяготения Ньютона: сила гравитационного притяжения между двумя телами действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна каждой из масс 𝑚1 и 𝑚2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними.
Разберём определение по кусочкам.

  • "сила гравитационного притяжения между двумя телами"
Здесь явно обозначается, что существует сила гравитационного притяжения. В ньютоновской теории каждое обладающее массой тело порождает силовое гравитационное поле притяжения к этому телу. Гравитационное взаимодействие в теории Ньютона распространяется мгновенно.

И это первый недостаток этой теории. Сила притяжения передавалась непонятно как через совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По сути, Исаак Ньютон создал хорошую математическую модель гравитации, но совершенно не объяснил причин её существования. В ОТО причина существования гравитации объясняется искривлением пространства-времени под действием массы тела (статья про ОТО).

  • "действует вдоль соединяющей их прямой"
Любая сила, как векторная величина, имеет точку приложения и направление. В случае с силой гравитации точка приложения - это центр массы тела, а направлена сила вдоль линии, соединяющей тела. Причём, здесь говорится о самом простом случае, когда тела всего два, но вообще-то их может быть сколько угодно. Тогда каждое тело притягивает все остальные (и наоборот).

Разберём определение по кусочкам.

  • "сила гравитационного притяжения между двумя телами"
Здесь явно обозначается, что существует сила гравитационного притяжения. В ньютоновской теории каждое обладающее массой тело порождает силовое гравитационное поле притяжения к этому телу. Гравитационное взаимодействие в теории Ньютона распространяется мгновенно.

И это первый недостаток этой теории. Сила притяжения передавалась непонятно как через совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По сути, Исаак Ньютон создал хорошую математическую модель гравитации, но совершенно не объяснил причин её существования. В ОТО причина существования гравитации объясняется искривлением пространства-времени под действием массы тела (статья про ОТО).

  • "действует вдоль соединяющей их прямой"
Любая сила, как векторная величина, имеет точку приложения и направление. В случае с силой гравитации точка приложения - это центр массы тела, а направлена сила вдоль линии, соединяющей тела. Причём, здесь говорится о самом простом случае, когда тела всего два, но вообще-то их может быть сколько угодно. Тогда каждое тело притягивает все остальные (и наоборот).
  • "пропорциональна каждой из масс m1 и m2"
Чем больше общая масса системы тел, тем больше сила гравитации между ними. Именно поэтому в формуле закона всемирного тяготения массы стоят в числителе. С ростом массы любого из тел, или всех тел сразу, растёт гравитационное притяжение между ними (числитель увеличивается).

  • "и обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними"
И наоборот, с уменьшением расстояния между телами увеличивается гравитационное притяжение. В формуле расстояние между телами R находится в знаменателе, это значит, что увеличивая R, мы тем самым увеличиваем знаменатель уравнения и, соответственно, уменьшаем результат. Причём, R в уравнении возведено в квадрат. Это означает, что сила гравитации очень быстро убывает с расстоянием.

Итак.
Гравитационное притяжение между телами, согласно закону всемирного тяготения зависит всего от двух факторов:
  • масса тел;
  • расстояние между ними.
Сила тяжести Земли, то есть сила, с которой Земля притягивает любое тело, находящееся у её поверхности, равна произведению массы этого тела m на ускорение свободного падения g.
Так как мы с вами живём на планете Земля и в ближайшее время вряд ли её покинем, особое значение для нас имеет сила тяжести Земли. Это ближайшее к нам самое массивное тело и её притяжение мы испытываем сильнее всего.

Мы знаем массу Земли M и её радиус R, который и будет расстоянием между телами в случае с силой тяжести Земли (так как второе тело находится у поверхности Земли). А гравитационная постоянная G одинакова для всех случаев.

То есть, как минимум три компонента уравнения закона всемирного тяготения не меняются, если мы рассчитываем притяжение любого тела к Земле:
M - масса одного из тел (Земли);
R - расстояние между телами (если тело находится близко к поверхности Земли, то это её радиус);
G - гравитационная постоянная.

Остаётся переменной только масса m второго тела, испытывающего притяжение Земли (яблока, автомобиля и т.п.).

Выходит, что часть уравнения, заключённая в скобки (см. рисунок) остаётся неизменной в задачах расчёта силы тяжести Земли. Эта величина называется ускорением свободного падения g. А сила тяжести может быть рассчитана по формуле F = mg.

Ускорение свободного падения g разное для каждой планеты, так как все космические тела имеют разные массы и радиусы.

Так как мы с вами живём на планете Земля и в ближайшее время вряд ли её покинем, особое значение для нас имеет сила тяжести Земли. Это ближайшее к нам самое массивное тело и её притяжение мы испытываем сильнее всего.

Мы знаем массу Земли M и её радиус R, который и будет расстоянием между телами в случае с силой тяжести Земли (так как второе тело находится у поверхности Земли). А гравитационная постоянная G одинакова для всех случаев.

То есть, как минимум три компонента уравнения закона всемирного тяготения не меняются, если мы рассчитываем притяжение любого тела к Земле:
M - масса одного из тел (Земли);
R - расстояние между телами (если тело находится близко к поверхности Земли, то это её радиус);
G - гравитационная постоянная.

Остаётся переменной только масса m второго тела, испытывающего притяжение Земли (яблока, автомобиля и т.п.).

Выходит, что часть уравнения, заключённая в скобки (см. рисунок) остаётся неизменной в задачах расчёта силы тяжести Земли. Эта величина называется ускорением свободного падения g. А сила тяжести может быть рассчитана по формуле F = mg.

Ускорение свободного падения g разное для каждой планеты, так как все космические тела имеют разные массы и радиусы.
По формуле выше мы, зная массу тела m и ускорение свободного падения g можем найти модуль (величину) силы тяжести. Осталось разобраться с двумя другими характеристиками, которые есть у силы тяжести, как и у любой другой силы: точка приложения и направление силы.

Точка приложения силы тяжести находится в особой точке тела, называемой центром тяжести. Пока для простоты будем считать, что он совпадает с геометрическим центром тела.

Направление силы тяжести - вертикально вниз, к центру Земли. Любое тело всегда падает вниз.

Сила тяжести зависит от:
  • массы тела;
  • ускорения свободного падения планеты.

Единица измерения силы тяжести - ньютон.

По формуле выше мы, зная массу тела m и ускорение свободного падения g можем найти модуль (величину) силы тяжести. Осталось разобраться с двумя другими характеристиками, которые есть у силы тяжести, как и у любой другой силы: точка приложения и направление силы.

Точка приложения силы тяжести находится в особой точке тела, называемой центром тяжести. Пока для простоты будем считать, что он совпадает с геометрическим центром тела.

Направление силы тяжести - вертикально вниз, к центру Земли. Любое тело всегда падает вниз.

Сила тяжести зависит от:
  • массы тела;
  • ускорения свободного падения планеты.

Единица измерения силы тяжести - ньютон.

На разработку новых уроков!
❤️‍🔥 💵💵 🙏 😽
  • Антон Глазко
    Founder eye-q.ru

© All Rights Reserved.
eye-q.ru