Закон всемирного тяготения – кратко
Понимание закона всемирного тяготения – один из ключей к успешному изучению школьного курса физики. Гравитация действует абсолютно на все тела во Вселенной.
Сущность закона
Классическая механика, частью которой является теория Ньютона, описывает движение физических объектов во Вселенной. Объясняет, как взаимодействуют предметы при столкновении, при скатывании с наклонной плоскости, каким образом работают механизмы с шестерёнками и блоками и т. д. Данная модель была общепризнанной в XVII-XIX вв., её точности хватало для любых задач, возникавших перед людьми, таких как постройка зданий и создание механизмов. По сей день классическая механика изучается в школах и закладывает основы для дальнейшего образования инженеров и учёных.
Стоит отметить, что ньютоновский закон всемирного притяжения не объясняет природу возникновения гравитации, а всего лишь устанавливает количественные закономерности.
Описывается данное взаимодействие с помощью формулы:
, где:
m1 и m2 – масса первого и второго тела соответственно;
r – расстояние между их центрами тяжести;
G – гравитационная постоянная.
Измеряется сила гравитации в Ньютонах.
Гравитационная постоянная равна:
Малая величина гравитационной постоянной отражает низкую интенсивность взаимодействия, сила которого возрастает только при очень больших массах.
Ограничения по применению законов Ньютона
Формула, предложенная Ньютоном, может быть использована для решения задач только в нескольких случаях:
- Расчёт осуществляется для двух тел, размеры которых пренебрежительно малы по отношению к расстоянию, отделяющему их друг от друга.
- В случае когда оба объекта обладают шарообразной формой и равномерной плотностью.
- Первое тело – шар, масса и объём которого многократно превосходит соответствующие характеристики второго тела, а оно само находится вблизи него или лежит на его поверхности.
Третий случай описывает гравитационное взаимодействие между Землёй и любым предметом на её поверхности. Дистанция между объектами равна радиусу планеты, т. е. 6370 км. Сила притяжение вызывает ускорение движения при падении предметов на Землю.
Сила тяжести
Это частный случай действия силы тяготения, который описывает притяжение, возникающее между планетами и малыми объектами.
m – масса тела, на которое действует притяжение планеты;
g – ускорение свободного падения.
Величина g не зависит от массы тела и является константой для каждой планеты. На Земле она примерно равна 9,8 м/с2. Есть незначительные колебания в зависимости от географического местоположения, наличия полезных ископаемых, высоты над уровнем моря и т. д.
История открытия
Идея о существовании некой силы, удерживающей планеты на орбитах и заставляющей тела притягиваться друг к другу, озвучивалась задолго до написания Ньютоном. Над этим размышляли ещё древнегреческие философы и учёные.
Свой труд «Математические начала натуральной философии» И. Ньютон основывает на эмпирических законах Кеплера. Однако английский физик не только выдвинул гипотезу, но и сумел предложить целостную математическую модель, описывающую движение тел и позволявшую вести точные расчёты. В неё вошли: три ньютоновских закона, система методов для математического исследования и закон тяготения.
Найденные числовые закономерно неоднократно проверялись учёными XVIII –XIX вв. Одни использовали в экспериментах точные крутильные весы, как Г. Кавендиш, другие применяли закон гравитации для описания движения небесных тел или исследовали действие гравитационного поля при произвольном распределении вещества.
В научном сообществе того времени большинство приняло ньютоновскую модель в качестве наиболее точного описания фундаментального закона физики. Однако, у неё нашёлся ряд недостатков: необъяснимое дальнодействие, ненулевая средняя плотность вещества во Вселенной и др.
Дальнейшее развитие теория получила в работах С. Пуассона, У. Леверье и А. Эйнштейна. Общая теория относительности, предложенная последним, смогла преодолеть все ключевые недостатки теории Ньютона и стала основой для качественного скачка в понимании природы вещей.