Όταν μελετάτε ένα σχολικό μάθημα στη φυσική, ένα σημαντικό θέμα στην ενότητα της μηχανικής είναι ο νόμος της παγκόσμιας έλξης. Σε αυτό το άρθρο, θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο τι είναι, και με ποιο μαθηματικό τύπο περιγράφεται, και θα δώσουμε επίσης παραδείγματα της δύναμης της βαρύτητας στην καθημερινή ανθρώπινη ζωή και σε μια κοσμική κλίμακα.
Ποιος ανακάλυψε τον νόμο της βαρύτητας
Πριν δώσουμε παραδείγματα της δύναμης της βαρύτητας, ας περιγράψουμε εν συντομία σε ποιον πιστώνεται η ανακάλυψή της.
Από την αρχαιότητα, οι άνθρωποι παρατηρούσαν τα αστέρια και τους πλανήτες και γνώριζαν ότι κινούνται κατά μήκος ορισμένων τροχιών. Επιπλέον, όποιος δεν είχε ιδιαίτερες γνώσεις καταλάβαινε ότι όσο μακριά και ψηλά κι αν πετούσε μια πέτρα ή άλλο αντικείμενο, πάντα έπεφτε στο έδαφος. Αλλά κανένας από τους ανθρώπους δεν μάντευε καν ότι οι διαδικασίες στη Γη και στα ουράνια σώματα ελέγχονται από τον ίδιο φυσικό νόμο.
Το 1687, ο Sir Isaac Newton δημοσίευσε μια επιστημονική εργασία στην οποία περιέγραψε για πρώτη φορά τα μαθηματικάδιατύπωση του νόμου της παγκόσμιας έλξης. Φυσικά, ο Νεύτωνας δεν κατέληξε ανεξάρτητα σε αυτή τη διατύπωση, την οποία αναγνώρισε προσωπικά. Χρησιμοποίησε μερικές από τις ιδέες των συγχρόνων του (για παράδειγμα, την ύπαρξη αντίστροφης αναλογίας με το τετράγωνο της απόστασης της δύναμης έλξης μεταξύ των σωμάτων), καθώς και τη συσσωρευμένη πειραματική εμπειρία στις τροχιές των πλανητών (τρεις του Κέπλερ του νόμου). Η ιδιοφυΐα του Νεύτωνα φάνηκε στο γεγονός ότι, αφού ανέλυσε όλη τη διαθέσιμη εμπειρία, ο επιστήμονας μπόρεσε να τη διατυπώσει με τη μορφή μιας συνεκτικής και πρακτικά εφαρμόσιμης θεωρίας.
Τύπος βαρύτητας
Ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας μπορεί να διατυπωθεί εν συντομία ως εξής: μεταξύ όλων των σωμάτων στο Σύμπαν υπάρχει μια ελκτική δύναμη, η οποία είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των κέντρων μάζας τους και ευθέως ανάλογη με το γινόμενο των μαζών των ίδιων των σωμάτων. Για δύο σώματα με μάζες m1 και m2, τα οποία βρίσκονται σε απόσταση r μεταξύ τους, ο υπό μελέτη νόμος θα γραφτεί ως:
F=Gm1m2/r2.
Εδώ G είναι η σταθερά της βαρύτητας.
Η δύναμη έλξης μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο σε όλες τις περιπτώσεις, εάν οι αποστάσεις μεταξύ των σωμάτων είναι αρκετά μεγάλες σε σύγκριση με τα μεγέθη τους. Διαφορετικά, και επίσης σε συνθήκες ισχυρής βαρύτητας κοντά σε τεράστια διαστημικά αντικείμενα (άστρα νετρονίων, μαύρες τρύπες), θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί η θεωρία της σχετικότητας που ανέπτυξε ο Αϊνστάιν. Ο τελευταίος θεωρεί τη βαρύτητα ως αποτέλεσμα μιας παραμόρφωσης του χωροχρόνου. Στον κλασικό νόμο του ΝεύτωναΗ βαρύτητα είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης σωμάτων με κάποιο ενεργειακό πεδίο, όπως ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία.
Η εκδήλωση της βαρύτητας: Παραδείγματα από την καθημερινή ζωή
Πρώτον, ως τέτοια παραδείγματα μπορούμε να ονομάσουμε οποιαδήποτε σώματα που πέφτουν από ένα ορισμένο ύψος. Για παράδειγμα, ένα φύλλο ή το περίφημο μήλο από ένα δέντρο, μια πέτρα που πέφτει, σταγόνες βροχής, κατολισθήσεις βουνών και κατολισθήσεις. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, τα σώματα τείνουν προς το κέντρο του πλανήτη μας.
Δεύτερον, όταν ένας δάσκαλος ζητά από τους μαθητές "να δώσουν παραδείγματα βαρύτητας", θα πρέπει επίσης να θυμούνται ότι όλα τα σώματα έχουν βάρος. Όταν το τηλέφωνο βρίσκεται στο τραπέζι ή όταν ένα άτομο ζυγίζεται στη ζυγαριά, σε αυτές τις περιπτώσεις το σώμα πιέζει το στήριγμα. Το σωματικό βάρος είναι ένα ζωντανό παράδειγμα της εκδήλωσης της δύναμης της βαρύτητας, η οποία, μαζί με την αντίδραση της στήριξης, σχηματίζει ένα ζεύγος δυνάμεων που ισορροπούν η μία την άλλη.
Αν ο τύπος από την προηγούμενη παράγραφο χρησιμοποιείται για επίγειες συνθήκες (αντικαταστήστε τη μάζα του πλανήτη και την ακτίνα του σε αυτήν), τότε μπορεί να ληφθεί η ακόλουθη έκφραση:
F=mg
Είναι αυτό που χρησιμοποιείται για την επίλυση προβλημάτων με τη βαρύτητα. Εδώ g είναι η επιτάχυνση που δίνεται σε όλα τα σώματα, ανεξάρτητα από τη μάζα τους, σε ελεύθερη πτώση. Αν δεν υπήρχε αντίσταση του αέρα, τότε μια βαριά πέτρα και ένα ελαφρύ φτερό θα έπεφταν ταυτόχρονα από το ίδιο ύψος.
Βαρύτητα στο Σύμπαν
Όλοι γνωρίζουν ότι η Γη, μαζί με άλλους πλανήτες, περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο. Με τη σειρά του, ο Ήλιος, όντας μέσαένας από τους βραχίονες του σπειροειδούς γαλαξία του Γαλαξία, περιστρέφεται μαζί με εκατοντάδες εκατομμύρια αστέρια γύρω από το κέντρο του. Οι ίδιοι οι γαλαξίες πλησιάζουν επίσης ο ένας τον άλλον στα λεγόμενα τοπικά σμήνη. Αν πάμε πίσω σε μια κλίμακα, τότε θα πρέπει να θυμόμαστε τους δορυφόρους που περιστρέφονται γύρω από τους πλανήτες τους, τους αστεροειδείς που πέφτουν σε αυτούς τους πλανήτες ή περνούν από εκεί. Όλες αυτές οι περιπτώσεις μπορούν να θυμηθούν εάν ο δάσκαλος ρωτήσει τους μαθητές: "Δώστε παραδείγματα της δύναμης της βαρύτητας."
Σημειώστε ότι τις τελευταίες δεκαετίες το ζήτημα της κύριας δύναμης σε κοσμική κλίμακα έχει τεθεί υπό αμφισβήτηση. Στον τοπικό χώρο, είναι αναμφίβολα η δύναμη της βαρύτητας. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη το ζήτημα στο επίπεδο του γαλαξία, μια άλλη, άγνωστη ακόμη δύναμη, που σχετίζεται με τη σκοτεινή ύλη, μπαίνει στο παιχνίδι. Το τελευταίο εκδηλώνεται ως αντιβαρύτητα.
