Гравитация

Гравитация Земли Космос

Слово «гравитация» происходит от латинского «gravitas» и означает «тяжесть». Это одно из фундаментальных взаимодействий во Вселенной между всеми телами, которые имеют массу. Именно она притягивает два материальных объекта, имеющих массу, друг к другу. Без гравитации невозможным было бы удержание людей на поверхности планеты, да и сама Земля не могла бы обращаться вокруг Солнца.

Что понимают под гравитацией

Гравитация – это особая сила, которая притягивает два тела. Все материальные тела обладают такой силой. Всё, что находится в космосе, подвергается действию гравитационных сил.

При малых скоростях и при условии слабой гравитации работает теория Ньютона. Она гласит, что сила притяжения между двумя точками, имеющими массу и находящимися на определённом расстоянии, обратно пропорционально расстоянию в квадрате и прямо пропорциональна сумме масс. Чем больше масса объекта, тем больше его гравитация.

Закон всемирного тяготения
Закон всемирного тяготения, где G — гравитационная постоянная, равная примерно 6,67⋅10−11 м³/(кг·с²)

 

В общем случае это явление описывается теорией относительности Эйнштейна. Предположительно, что в квантовой физике это явление описывается квантовой теорией гравитации как части «теории всего».

Какие существуют силы во Вселенной и какое место гравитации среди них

Во Вселенной существуют четыре фундаментальных взаимодействия.

  1. Сильное. Оно действует в масштабах атомного ядра и меньше, отвечает за связь между кварками и притяжение между нуклонами. Собственно, эта сила заставляет, атомные ядра держатся, как одно целое.
  2. Слабое. Оно отвечает за бета-распад ядра атома.
  3. Электромагнитное. Оно проявляется между элементарными частицами с электрическим зарядом. Такое взаимодействие существует благодаря наличию электромагнитного поля.
  4. Гравитационное. Оно самое слабое и определяет геометрию пространства-времени. Переносчиком такого взаимодействия являет гравитон (пока он экспериментально не обнаруживается).

Собственно, гравитация больше всего заметна в крупных масштабах. Она способна удерживать не только нашу планету вокруг Солнца, но и Солнце во Млечном пути. Также это существенный элемент создания Вселенной. Молекулы газа, существующие в космосе, притягиваются только под влиянием гравитации. Они же объединяются в звёзды.

Исследователи Вселенной твердят, что гравитация придала стабильности частицам после Большого взрыва и остановила коллапс Вселенной. Эта сила притягивает солнечные системы и образует галактики. Галактики, притягиваясь, образуют скопления. Таким образом, можно считать гравитацию основной силой в эволюции космоса.

Что такое гравитационное поле и излучение

Это такое расстояние, в пределах которого объекты во Вселенной могут взаимодействовать между собой. И чем больше масса космического тела, тем более сильное его гравитационное поле. Им обладают все материальные тела в космосе, имеющие массу.

За счёт гравитационного поля образуются массивные объекты: чёрные дыры, квазары, сверхбольшие звезды. Вокруг них образуются любые астрономические скопления. Наша галактика и солнечная система как раз являются такими скоплениями.

Интересно, что закон расширения Вселенной также основан на законах гравитационного взаимодействия.
Термин «гравитационное излучение» впервые был предложен А. Эйнштейном. Согласно теории относительности, такое излучение порождается движением таких материальных объектов, которые обладают переменным ускорением. На сегодня гравитационное излучение не было обнаружено напрямую. Однако его

можно наблюдать при сближении двойных звёзд.

Гравитационное излучение подтверждено лишь в 2015 г.

Другие эффекты гравитации

Теория относительности предполагает, что могут существовать такие проявления гравитации, которые не могут наблюдаться в земных условиях. Обнаружение таких сил и их проверка путём эксперимента в настоящее время затруднительны.

Среди таких эффектов – увеличение инерциальных систем отсчёта, гравитомагнитное поле. Первый эффект наблюдается вблизи массивных вращающихся космических объектов. При этом появляются дополнительные ускорения. Гравитомагнитные поля появляются вблизи вращающихся объектов. При этом наблюдается искривление пространства-времени.

В 2005-2011 гг. подобные явления исследовались вблизи Земли. Данные исследований подтвердили наличие вокруг нашей планеты геодезической прецессии. Эти результаты могут быть полезными при исследовании гравитационного поля планеты с целью изучения особенностей движения объектов в Солнечной системе.

Что такое невесомость

В состоянии невесомости сила взаимодействия тела с поверхностью ничтожно мала, и ею можно пренебречь. Она наблюдается на поверхности тела, которое удалилось на большое расстояние от массивного объекта. В этом случае гравитационные силы будут ничтожно малыми. Однако они полностью не исчезнут, так как действие гравитации распространяется в самые дальние уголки Вселенной.
Ошибочно думать, что невесомость означает полное отсутствие силы притяжения. Гравитация есть везде в космосе. А на космонавтов постоянно действует ничтожно малая сила притяжения Земли, Солнца, галактики и прочих небесных тел.

Невесомость также испытывают космонавты. В космическом аппарате тела, находящиеся внутри него, получают начальную скорость и движутся с одинаковым ускорением. Они не оказывают друг на друга взаимных давлений. По отношению к кабине космического аппарата любое тело, находящееся в нём, остаётся в покое и словно висит в пространстве. При этом отсутствуют внешние поверхностные силы, которые бы вызывали взаимное давление частиц.

Любое тело, размерами которого относительно земного радиуса можно пренебречь, и которое совершает поступательное движение в поле земного притяжения при условии отсутствия действия внешних сил, будет находиться в невесомом состоянии.

Есть ли предел гравитации

Чем больше у космического объекта масса, тем сильнее у него гравитация. Если она возрастает настолько, из-за неё не могут покинуть кванты света, говорят о том, что объект в космосе является чёрной дырой. Граница области, после которой квантам света нужно обладать скоростью большей, чем скорость света, чтобы покинуть чёрную дыру, называется горизонтом событий.

Вдали от чёрной дыры любые частицы могут двигаться в каком угодно направлении. Их скорость не может быть 300 тыс. км/с (скорость света). Однако ближе к сверхмассивному объекту пространство-время искривляется. А вот внутри горизонта событий частицы могут двигаться только к центру чёрной дыры. Здесь любой объект не сможет возвратиться обратно во внешнее пространство.

Интересно, что чем сильнее притяжение, тем медленнее идёт время. У поверхности чёрной дыры оно практически стоит на месте. Приближаясь к чёрной дыре, время для астронавтов замедлялось бы настолько, что после экспедиции к такому объекту всего через 2 – 3 дня они нашли бы своих коллег, не принимавших участие в полёте постаревшими на десятки лет.

Любопытно, но возвратиться из экспедиции к чёрной дыре можно при условии, что она не преодолела горизонта событий. После пересечения этого горизонта никто и никогда не сможет получить сигналы человека: они, как сам человек, устремлялись бы к центру. Поразительно, но будущее в чёрной дыре уходит прочь горизонта событий, к центру. Всё это вытекает из теории относительности.

По сути, гравитация чёрной дыры является предельной. Под воздействием невообразимого притяжения пространство и время искривляются настолько, что все известные человечеству законы физики перестают работать.

Как можно наблюдать гравитацию

Гравитация наблюдаема в повседневной жизни. Притяжение Земли удерживает все объекты и придаёт им вес. Один и тот же объект весит по-разному на поверхности разных космических тел. Так, на Луне полное ведро воды будет весить почти так, как на Земле полная бутылка воды ёмкостью 1,6 л. А всё потому, что гравитация Земли примерно в 6 раз больше. Но те же 10 литров воды будут весить на Юпитере примерно 25 кг.

Гравитация Луны создаёт приливы и отливы. Также эта сила удерживает нашу планету на таком расстоянии от Солнца, что на ней возможна жизнь. Наконец, гравитация Земли удерживает нашу атмосферу и более того, делает воздух пригодным для жизни. Если бы Земля имела большую массу, то в ее атмосфере накапливался бы водород, который токсичен для всего живого.

Интересно о силе притяжения

Гравитация таит в себе огромное количество загадок. Вот наиболее интересные факты о притяжении Земли и других небесных тел.

  1. Впервые человек побывал за пределами родной планеты почти 60 лет назад. Однако и сейчас люди, которые побывали в космосе и возвратились на Землю, говорят, что им на первых порах было трудно привыкнуть к земной силе притяжения. Порой для этого требовалось несколько недель.
  2. Если бы на Земле не было силы притяжения, пламя вокруг свечи распространялось во все стороны.
  3. В состоянии невесомости каждый месяц масса костного мозга уменьшается на 1 процент.
  4. Юпитер обладает наибольшей силой притяжения среди всех планет Солнечной системы. Самая малая гравитация на Марсе и Меркурии.
  5. В состоянии невесомости сальмонеллы причиняют человеку больше вреда, чем на Земле.
  6. Самая большая сила притяжения – у чёрных дыр. Так, чёрная дыра, которая имеет размер с мяч для гольфа (а это очень малый объект из подобного рода) обладает такой же гравитацией, как и вся Земля.
  7. Притяжение Земли неодинаково в каждом конкретном уголке. В районе Гудзонова залива оно самое слабое.
  8. В космосе есть определённые участки с искажённой гравитацией. Причины появления таких участков неясна.
  9. Для того, чтобы преодолеть силу земного притяжения, ракета (как и любой другой объект) должен разогнаться до второй космической скорости – 11,2 км/сек.
  10. Если представить нейтронную звезду, имеющую размеры Солнца, то она имела бы невообразимо большую массу. На ее поверхности не могли бы появляться объекты высотой более 5 миллиметров высотой: гравитация их разрушила бы.

Будущее научных исследований

Несомненно, что научные исследования, посвящённые гравитации, будут проводиться и в будущем. Общая теория относительности даёт возможность объяснить некоторые нестыковки в системе гравитации, выстроенной Ньютоном. Всё же перед наукой есть неразгаданные тайны (например, квантовая теория гравитации). До сих пор учёные спорят между собой относительно того, как гравитационное взаимодействие сочетается с другими фундаментальными силами Вселенной.

Космические аппараты постоянно изучают притяжение Земли, изменения в гравитационном поле нашей планеты. Это позволяет не только отслеживать изменения уровня моря, но и изучать движения астероидов, их взаимодействие с нашим общим домом. Вполне вероятно, что именно новые разработки учёных в области гравитационного взаимодействия, поля помогут избежать предполагаемых на сегодня столкновений с астероидами.

Оцените статью
Добавить комментарий