Что такое гравитация в космосе простым языком
Что такое гравитация? Объясняем простыми словами
Гравитация – это сила, которая притягивает два тела друг к другу, сила, которая заставляет яблоки падать на землю и планеты вращаться вокруг Солнца. Чем массивнее объект, тем сильнее его гравитационное притяжение.
Фундаментальная сила
Гравитация, является одной из четырех фундаментальных сил, наряду с электромагнитными, сильными и слабыми силами взаимодействия.
Когда вы взвешиваете себя, шкала говорит вам, сколько гравитации действует на ваше тело. Формула для определения веса: вес равен массе, умноженной тяжести. На Земле гравитация равна постоянной 9,8 метра в секунду в квадрате.
Исторически такие философы, как Аристотель, считали, что более тяжелые объекты ускоряются к земле быстрее. Но более поздние эксперименты показали, что это не так. Причина, по которой перо будет падать медленнее, чем шар для боулинга, – это сопротивление воздуха, которое действует в противоположном направлении, как ускорение под действием силы тяжести.
Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила тяжести прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Он разработал свою теорию всемирного тяготения в 1680-х годах. Обнаружив, что гравитация действует на всю материю и является функцией массы и расстояния.
Каждый предмет притягивает любой другой объект с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Уравнение часто выражается как:
Уравнение Ньютона работают очень хорошо, чтобы предсказать, как ведут себя объекты, такие как планеты в Солнечной системе.
Теория относительности
Ньютон опубликовал свою работу по гравитации в 1687 году, которая была лучшим объяснением, пока Эйнштейн не придумал свою теорию общей относительности в 1915 году. В теории Эйнштейна гравитация – это не сила, а следствие того, что материя искривляет пространство-время. Одним из предсказаний общей теории относительности является то, что свет будет изгибаться вокруг массивных объектов.
Если гравитация это не сила, то как она «притягивает» объекты?
Считается, что гравитация ответственна за все происходящее в нашей Вселенной – от падения яблока на голову Исаака Ньютона, до вращения сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Обычно мы представляем гравитацию как силу, которая притягивает вещи к массивным объектам. В некоторых учебниках по физике, особенно начальных классов, можно встретить утверждения о том, что «гравитация Земли притягивает объекты к центру планеты». Но так ли это? Исследователи полагают, что ключом к разгадке тайны гравитации является термин «ускорение», а не «тяга». Дело в том, что гравитация вообще не притягивает объекты; скорее, она искривляет пространство-время, заставляя объекты следовать за создаваемыми ей изгибами, в результате чего они иногда ускоряются. В этой статье разбираемся чем на самом деле является гравитация.
Мы воспринимаем гравитацию, как силу, которая «притягивает» к себе объекты. Но так ли это?
Ньютоновская гравитация
В 1665-1667 годах в Англии бушевала бубонная чума. В этот период молодой ученый по имени Исаак Ньютон вернулся из Кембриджского университета на свою семейную ферму в Вулсторпе. Время, проведенное в изоляции, позволило ему познать физическую природу света: Ньютон провел множество экспериментов и пришел к выводу, что свет можно рассматривать как поток частиц, которые исходят от некого источника и двигаются по прямой до ближайшего препятствия.
Такая модель света называется корпускулярной; она легла в основу классической физики, без которой современных достижений науки просто не существовало бы.
Считается, что примерно в это же время Ньютон стал автором своего наиболее известного открытия – Всемирного закона тяготения. Он совершил концептуальный прорыв признав два различных вида движения – равномерное и ускоряющееся.
В усадьбе Вусторп Ньютон совершил свои величайшие открытия. Вот что самоизоляция с людьми делает!
Важно понимать, что для современников Ньютона гравитация была земной силой; она была ограничена объектами вблизи поверхности Земли. Но в семейном яблоневом саду Ньютон обнаружил, что гравитация – сила универсальная. Она простирается до самых планет, до Луны, звезд и дальше.
Сегодня, благодаря трудам еще одного великого ученого, мы знаем, что энергия буквально говорит пространству-времени, как изгибаться: согласно Общей теории относительности, сила тяжести возникает из-за искривления пространства и времени, а такие объекты, как Солнце и Земля, эту геометрию изменяют.
Гравитация Эйнштейна
Пытаясь разгадать величайшие тайны Вселенной Альберт Эйнштейн, которому на тот момент исполнилось 30 лет, понял, что пространство-время изгибает не сила, но масса. Изгибы, которые оставляют под собой массивные объекты, например Солнце, подсказывают энергии как двигаться.
Представить себе пространство-время можно в виде равномерно натянутой плотной ткани, в центр которой закинули бильярдный шар – точно так же, как изгибается ткань под давлением шара, изгибается и пространство-время под давлением массивных объектов.
Большой шар сильно искривляет пространство-время, заставляя меньший шар изменить свой курс и следовать за падением.
Вместо шара и ткани также можно представить себе автомобиль, который движется по извилистой дороге – когда автомобиль спускается с холма, то ускоряется. Массивные объекты во Вселенной подобны ускоряющемуся автомобилю – они создают экстремальные изгибы в пространстве-времени.
Интересно, что гравитация способна ускорять объекты, когда они входят (или приближаются) в глубокие гравитационные колодцы. Гравитационные колодцы – это концепция, согласно которой чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец.
Еще больше увлекательных статей о том, какие законы физикой управляют Вселенной и почему, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Гравитация и астероиды
Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она способна ускорять объекты, возьмем, к примеру, Землю и Луну. Земля – довольно массивный объект. По крайней мере, по сравнению с Луной. Это означает, что наша планета довольно сильно искривляет ткань пространства-времени.
Луна вращается вокруг нашей планеты из-за искривления пространства-времени, вызванного массой Земли. Выходит, она просто движется вдоль изгиба или нисходящего склона (в случае с автомобилем), который делает наша планета. В этом отношении на спутник Земли не действует какая-либо сила. Она просто следует определенному пути. Но почему в таком случае все астероиды и метеориты, пролетающие мимо нашей планеты, не попадают на орбиту?
Солнце и Луна искривляют ткань пространства-времени.
Причина, как полагают исследователи, кроется в пути, который проходит объект – он зависит от ряда факторов, таких как скорость, траектория и масса соответствующих объектов. Именно по этой причине каждый день сотни астрономов по всему миру наблюдают множество комет и астероидов, пролетающих мимо Земли и не попадающих на ее орбиту.
А если вам интересно, смогут ли люди когда-нибудь изобрести искусственную гравитацию, обязательно прочтите статью моего коллеги Владимира Кузнецова. В ней он подробно рассказывает о последних достижениях в этой области и о том, перестанет ли в скором будущем искусственная гравитация считаться атрибутом исключительно научной фантастики.
Что такое гравитация и как она работает
Что такое гравитация: Freepick
Что такое гравитация и как она работает, узнаем еще в школе. Многие помнят историю о том, как яблоко оказалось на голове Ньютона, в результате чего ученый открыл закон всемирного тяготения. Однако явление гравитации не такое простое, как может показаться на первый взгляд.
Что такое гравитация и история ее открытия
Термин «гравитация» имеет латинское происхождение. Он произошел от слова gravitas, что означает ‘вес’. Также известно слово «гравитировать», которое описывает процесс, когда объекты притягиваются друг к другу. Именно эта сила удерживает нас на Земле, а саму планету удерживает в определенном пространстве Солнечной системы.
Какое дают определение гравитации? Это сила, притягивающая тела друг к другу. Все, что состоит из материи, то есть все, до чего можно дотронуться, обладает гравитационным притяжением. Это и человек, и планета, и яблоко.
Избежать действия гравитационной силы невозможно. Даже на космонавтов, которые в космосе находятся в невесомости, она влияет. Только очень быстрое движение помогает им сохранять постоянное состояние свободного падения.
Пытливое человечество на протяжении тысяч лет интересовалось гравитацией, как пишет в исследовании «Гравитация и Вселенная» Р. Дикке:
Падение предметов и гравитация: Freepick
Прорывом в описании гравитации стал закон всемирного тяготения авторства Исаака Ньютона. Легенда гласит, что на голову ученого с дерева упало яблоко. После этого случая он задумался о силе, которая заставляет предметы падать на землю. Свои мысли Ньютон выразил математически и показал, что:
Движение некоторых планет, например Меркурия, с помощью этого закона классической физики объяснить не удавалось.
Научные поиски продолжились, и позже Эйнштейн, благодаря своей теории общей относительности, изменил взгляды физиков на понятие гравитации. Эта теория объясняет воздействие гравитации не как силу, а как кривую в пространстве-времени, возникающую рядом с крупными объектами. Эти гипотезы помогли объяснить необычную орбиту Меркурия.
Исследования гравитации продолжаются и сейчас, после того как теория относительности объяснила некоторые несоответствия в ньютоновской гравитации. Вселенная предлагает ученым тайны, которые они пока не в силах объяснить. Так, гравитация не сочетается с теорией квантовых полей. Продолжаются исследования того, как эта сила взаимодействует с другими фундаментальными силами.
Изучение гравитации имеет практическое применение. С помощью космических аппаратов НАСА отслеживаются изменения гравитации Земли, благодаря чему ученые фиксируют изменения уровня морей и земной коры.
Принципы работы гравитации и почему она важна
Гравитация имеет очень большое значение. Благодаря этой силе предметы не только удерживаются на Земле, но и имеют вес. На планетах, где гравитационная тяга меньше, вес уменьшится. Гравитация была необходима для создания Вселенной, а сейчас служит стабилизирующей силой:
На то, как работает гравитация, влияет масса объектов и расстояние между ними:
Движение Земли: Freepick
На современном этапе развития физики говорят о четырех фундаментальных силах во Вселенной: гравитации, электромагнитном, слабом и сильном взаимодействиях. Эти силы влияют на движение объектов и фактически определяют, как будет взаимодействовать все во Вселенной.
Гравитация считается самой слабой из них, но ее легко увидеть и почувствовать, а по масштабам воздействия она очень влиятельна. Гравитация — фактор, который заставляет людей ходить по Земле, одновременно удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, а само Солнце на его месте в Галактике.
Если внезапно по какой-то причине гравитация исчезнет, то все предметы, которые не прикреплены к поверхности Земли, продолжат движение вслед за движением планеты и быстро окажутся на просторах космоса:
Как отмечает сотрудница Портсмутского университета Карен Мастерс, такие процессы в конечном итоге разрушили бы планету, так как не осталось бы силы, которая могла удерживать ее в виде единого целого.
Такова могущественная и загадочная сила — гравитация. Ее воздействие люди испытывают на себе каждую секунду и часто мечтают ее преодолеть. На самом деле без воздействия гравитации наша жизнь оказалась бы невозможной.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Что такое гравитация определение и интересные факты
Каждый человек в своей жизни не раз сталкивался с этим понятием, ведь гравитация это основа не только современной физики, но и ряда других смежных наук.
Изучением притяжения тел занимались многие учёные с античных времен, однако главное открытие приписывается Ньютону и описывается как известная каждому история с упавшим на голову фруктом.
Что такое гравитация простыми словами
Гравитация представляет собой притяжение между несколькими предметами во всей Вселенной. Природа явления бывает разной, так как определяется массой каждого из них и протяженностью между, то есть дистанцией.
Теория Ньютона была основана на том, что и на падающий фрукт, и на спутник нашей планеты действует одна и та же сила притяжение к Земле. А не упал спутник на земное пространство именно из-за своей массы и удалённости.
Гравитационное поле
Гравитационное поле являет собой пространство, в рамках которого происходит взаимодействие тел по законам притяжения.
Эйнштейновская теория относительности описывает поле, как определенное свойство времени и пространства, характерно проявляющееся при появлении физических объектов.
Гравитационная волна
Это определенного рода изменения полей, которые образуются в результате излучения от движущихся объектов. Они отрываются от предмета и распространяются волновым эффектом.
Теории гравитации
Классической теорией является ньютоновская. Однако, она была несовершенна и впоследствии появились альтернативные варианты.
К ним относятся:
Сегодня существует несколько десятков различных теорий, все они либо дополняют друг друга, либо рассматривают явления с другой стороны.
Стоит отметить: идеального варианта пока не существует, но постоянные разработки открывают больше вариантов ответов в отношении притяжения тел.
Сила гравитационного притяжения
Базовый расчет следующий – сила тяготения пропорциональна умножению массы тела на другую, между которыми она определяется. Эта формула выражена и так: сила обратно пропорциональна дистанции между объектами, возведенными в квадрат.
Гравитационное поле – потенциально, а значит сохраняется кинетическая энергия. Этот факт упрощает решение задач, в которых измеряется сила притяжения.
Гравитация в космосе
Несмотря на заблуждение многих, в космосе есть гравитация. Она ниже, чем на Земле, но все же присутствует.
Что касается космонавтов, которые на первый взгляд летают, то они в действительности находятся в состоянии медленного падения. Визуально, кажется, что их ничего не притягивает, но на практике они испытывают гравитацию.
Сила притяжения зависит от удаленности, но каким бы большим не было расстояние между объектами, они продолжат тянуться друг к другу. Взаимное притяжение никогда не будет равным нулю.
Гравитация в Солнечной системе
В солнечной системе не только Земля обладает гравитацией. Планеты, а также и Солнце, притягивают к себе объекты.
Так как сила определятся массой предмета, то наибольший показатель у Солнца. Например, если у нашей планеты показатель равен единице, то у светила показатель будет почти равен двадцати восьми.
Следующим, после Солнца, по тяжести является Юпитер, поэтому сила притяжения у него в три раза выше, чем у Земли. Наименьший параметр у Плутона.
Для наглядности обозначим так, в теории на Солнце среднестатистический человек весил бы примерно две тонны, а вот на самой маленькой планете нашей системы – всего четыре килограмма.
От чего зависит гравитация планеты
Гравитационная тяга, как уже указывалось выше – это мощь, с которой планета тянет к себе предметы, расположенные на ее поверхности.
Сила притяжения зависит от тяжести объекта, самой планеты и дистанции, находящейся между ними. Если много километров – гравитация низкая, но она все равно удерживает объекты на связи.
Интересные факты о гравитации
Несколько важных и увлекательных аспектов, связанных с гравитацией и ее свойствами, которые стоит объяснить ребенку:
В соответствии с теорией базовой относительности такого ученого, как Эйнштейн, гравитация представляет собой искривление базовых параметров существования материального мира, которое представляет собой основу Вселенной.
Гравитация – это взаимное притяжение двух объектов. Сила взаимодействия зависит от тяжести тел и дистанции между ними. Пока не все секреты явления раскрыты, но уже сегодня существует несколько десятков теорий, описывающих понятие и его свойства.
Сложность изучаемых объектов влияет на время исследования. В большинстве случаев просто берется зависимость массы и дистанции.
Что такое гравитация в космосе простым языком
Из фундаментальных сил Вселенной только одна доминирует в каждый момент нашего сознательного опыта: гравитация. Она держит нас близко к Земле, поднимает и опускает футбольные и баскетбольные мячи и дает нашим мышцам силы. С космической точки зрения гравитация столь же последовательна. От коллапса водородных облаков в звезды до слияния галактик, гравитация представляет собой одного из немногих игроков, которые определяют широкий взгляд на ход эволюции Вселенной.
Люди долго размышляли о гравитации, которая действует на все, от дождевых капель до пушечных ядер. Древнегреческие и индийские философы заметили, что объекты естественным образом движутся к Земле, но потребовалась бы вспышка озарения от Исаака Ньютона, чтобы поднять гравитацию от непостижимой тенденции объектов до измеримого и предсказуемого явления.
Скачок Ньютона, ставший достоянием общественности в его трактате «Philosophia Naturalis Principia Mathematica» 1687 года, заключался в осознании того, что каждый объект во Вселенной — от песчинки до самых крупных звезд — притягивает к себе все остальные объекты. Это понятие объединяло события, которые казались совершенно несвязанными, от яблок падающих на Землю (хотя это, вероятно, не вдохновило его на прорыв, но Ньютон действительно работал рядом с яблоней) до планет, вращающихся вокруг Солнца. Он также приписал притяжению числа: удвоение массы одного объекта делает его притяжение вдвое сильнее, определил он, а сближение двух объектов вдвое увеличивает их взаимное притяжение вчетверо. Ньютон упаковал эти идеи в свой универсальный закон тяготения.
Ньютоновское описание гравитации было достаточно точным, чтобы понять существование Нептуна в середине 1800-х годов, прежде чем кто-либо смог его увидеть, но закон Ньютона не идеален. В 1800-х годах астрономы заметили, что эллипс, прослеживаемый в орбите Меркурия, движется вокруг Солнца быстрее, чем это предсказывала теория Ньютона, предполагая небольшое несоответствие между его законом и законами природы. Эта загадка была в конечном счете решена общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915 году.
До того как Эйнштейн опубликовал свою новаторскую теорию, физики знали, как вычислить гравитационное притяжение планеты, но их понимание того, почему гравитация ведет себя таким образом, мало продвинулось вперед по сравнению с древними философами. Эти ученые понимали, что все объекты притягиваются друг к другу с мгновенной и бесконечно далеко идущей силой, как это постулировал Ньютон, и многие физики эпохи Эйнштейна были готовы оставить все как есть. Но, работая над своей специальной теорией относительности, Эйнштейн пришел к выводу, что ничто не может перемещаться мгновенно, и притяжение гравитации не должно быть исключением.
На протяжении веков физики рассматривали пространство как пустую структуру, на фоне которой разыгрываются события. Оно было абсолютным, неизменным и в физическом смысле не существовало. Общая теория относительности способствовала превращению пространства и времени из статического фона в субстанцию, чем-то напоминающую воздух в комнате. Эйнштейн считал, что пространство и время вместе составляют ткань Вселенной, и что этот «пространственно — временной» материал может растягиваться, сжиматься, скручиваться и вращаться, увлекая за собой все, что в нем находится.
Полевые уравнения относительности Эйнштейна, набор формул, которые иллюстрируют, как материя и энергия деформируют пространство-время, получили признание, когда они успешно предсказали изменения на орбите Меркурия, а также изгиб звездного света вокруг Солнца во время солнечного затмения 1919 года.
Современное описание гравитации настолько точно предсказывает взаимодействие масс, что оно стало руководством для космических открытий.
Американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд заметили в 1960-х годах, что галактики вращаются достаточно быстро, чтобы оттолкнуться от звезд, как собака отряхивает с себя капли воды. Но поскольку галактики, которые они изучали, не улетали друг от друга в разные стороны, что-то, казалось, помогало им держаться вместе. Тщательные наблюдения Рубина и Форда дали убедительные доказательства, подтверждающие более раннюю теорию швейцарского астронома Фрица Цвикки, предложенную в 1930-х годах, о том, что некая невидимая разновидность массы ускоряет галактики в соседнем скоплении. Большинство физиков теперь подозревают, что эта таинственная «темная материя» искривляет пространство-время, чтобы сохранить целыми галактики и скопления галактик. Однако другие задаются вопросом, может ли сама гравитация усиливаться в масштабах всей галактики, и в этом случае уравнения Ньютона и Эйнштейна потребуют корректировки.
Однако ряд экспериментальных успехов общей теории относительности затмевает то, что многие физики считают фатальным теоретическим провалом: теория описывает классическое пространство-время, но Вселенная в конечном счете оказывается квантовой или состоит из частиц (или «квантов»), таких как кварки и электроны.
Классическое понятие пространства (и гравитации) как единой гладкой ткани вступает в противоречие с квантовой картиной вселенной как совокупности острых маленьких кусочков. Как расширить господствующую стандартную модель физики элементарных частиц, которая охватывает все известные частицы, а также три другие фундаментальные силы (электромагнетизма, слабого и сильного взаимодействия), чтобы охватить пространство и гравитацию на уровне частиц, остается одной из самых глубоких загадок в современной физике.