Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

Закон всемирного тяготения, сила тяжести

Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

Исследуя нормальное ускорение, которое возникает при движении Луны вокруг Земли, И. Ньютон пришел к выводу о том, что все тела в природе притягиваются друг к другу с некоторой силой, названной силой тяготения. При этом ускорение, которое вызывается действием данной силы обратно пропорционально квадрату расстояния между рассматриваемыми, воздействующими друг на друга телами.

Допустим, что два точечных тела, имеющих массы $m_1\ и\ m_2$ находятся на расстоянии $r$ друг от друга. Эти тела взаимодействуют с силами:

\[F_1=m_1a_1\ и\ F_2=m_2a_2\left(1\right).\]

В соответствии с третьим законом Ньютона, модули сил равны:

\[F_1=F_2\left(2\right).\]

Из сказанного выше об ускорении и на основании (2) получим:

\[\frac{m_1K_1}{r2}=\frac{m_2K_2}{r2}\left(3\right).\]

Формула (3) будет справедлива, если $K_1$=$\gamma m_2$, а $K_2$=$\gamma m_1$, где $\gamma $ некоторая постоянная. Тогда:

\[F=m_1a_1=\frac{m_1K_1}{r2}=\gamma \frac{m_1m_2}{r2},\]

где $\gamma =6,67\cdot {10}{-11}\frac{Н\cdot м2}{{кг}2}$ – гравитационная постоянная.

Формулировка закона всемирного тяготения

Определение

Сила притяжения между двумя материальными точками прямо пропорциональна произведению масс этих точек иобратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

\[F=\gamma \frac{m_1m_2}{r2}(4).\]

Строго говоря, формулу (4) можно использовать для вычисления силы тяготения между однородным шарами с массами $m_1{\ и\ m}_2$, считая, что $r$ расстояние между центрами шаров.

Для того чтобы найти силы тяготения, которые действуют на одно тело со стороны другого тела, при этом тела точечными считать нельзя, поступают следующим образом. Оба тела теоретически делят на элементы, которые можно приять за точечные массы.

Находят силы тяготения, которые действуют на один выбранный элемент первого тела со стороны всех элементов другого тела, получают силу, которая действует на рассматриваемую точку первого тела. Далее операцию повторяют для каждой точки первого тела. Полученные силы складывают с учетом их направлений.

В результате получается сила тяготения, с которой второе тело действует на первое. Такая задача является весьма сложной.

Сила тяжести

Определение

Сила тяжести (сила притяжения к Земле) является частным случаем появления силы всемирного тяготения. Обозначимсилу тяжести как $F_t$. В соответствии с законом всемирного тяготения эта сила равна:

\[F_t=\gamma \frac{mM}{{\left(R+h\right)}2}\left(5\right),\]

где $m$ – масса тела, притягиваемого к Земле; $M$ – масса Земли; $R$ – радиус Земли; $h$ – высота тела над поверхностью Земли.

Сила тяжести направлена к Центру Земли. В задачах, если размер Земли много больше, чем рассматриваемые тела, считают, что силатяжести направлена вертикально вниз.

Сила тяжести сообщает телам, находящимся около поверхности Земли ускорение, которое называют ускорением свободного падения, обозначают его как $\overline{g}$. По второму закону Ньютона имеем:

\[\overline{g}=\frac{{\overline{F}}_t}{m}\left(6\right).\]

Учитывая выражение (5), имеем:

\[\left|\overline{g}\right|=\gamma \frac{M}{{\left(R+h\right)}2}\left(7\right).\]

Непосредственно на поверхности Земли (при $h=0$) величина ускорения свободного падения равна:

\[g=\gamma \frac{M}{R2}\left(8\right),\]

величина ускорения свободного падения, вычисленная из (8) приблизительно равна $g\approx 9,8\ \frac{м}{с2}.$ Следует знать, что даже у поверхности Земли модуль ускорения свободного падения не везде одинаков, так как Земля не является идеальным шаром, и она вращается вокруг своей оси и движется по криволинейной траектории вокруг Солнца.

Используя второй закон Ньютона и выражение (8) силу тяжести записывают как:

\[{\overline{F}}_t=m\overline{g}\left(9\right).\]

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Какова сила тяготения двух тел, массы которых равны ${m=10}4\ кг,$ если расстояние между их центрами составляет $r=100$м? Тела считайте однородными шарами.

Решение. Так как по условию задачи масса тел обладает сферической симметрией (однородные шары), то для вычисления силы тяготения можно воспользоваться формулой:

\[F=\gamma \frac{m_1m_2}{r2}\left(1.1\right).\]

Учитывая равенство масс тел выражение (1.1) преобразуем к виду:

\[F=\gamma \frac{m2}{r2}.\]

Вычисли искомую силу:

\[F=6,67\cdot {10}{-11}\frac{{\left({10}4\right)}2}{{\left({10}2\right)}2}=6,67\cdot {10}{-7}\left(Н\right).\]

Ответ. $F=6,67\cdot {10}{-7}$Н

Пример 2

Задание. Некоторое тело, находящееся на полюсе Земли, бросили вертикально вверх со скоростью $v_0$. На какую высоту ($h$) поднимется это тело? Считайте, что известны радиус Земли ($R$) и ускорение свободного падения ($g$). Сопротивление воздуха не учитывайте.

Решение. Решать задачу будем на основе закона сохранения механической энергии, так как сил сопротивления нет, система консервативна. Тело в момент броска имеет кинетическую энергию:

\[E_k=\frac{mv2_0}{2}\left(2.1\right).\]

Потенциальная энергия взаимодействия тела и Земли на поверхности последней равна:

\[E_p=\gamma \frac{mM}{R2}\left(2.2\right),\]

где $M$ – масса Земли. Когда тело достигает точки максимального подъема, оно имеет только потенциальную энергию:

\[E_p'=\gamma \frac{mM}{{(R+h)}2}\left(2.2\right),\]

Из закона сохранения энергии имеем:

\[E_k+E_p=E_p'=\frac{mv2_0}{2}+г\frac{mM}{R2}=\gamma \frac{mM}{{\left(R+h\right)}2}\to \frac{v2_0}{2}+г\frac{M}{R2}=\gamma \frac{M}{{\left(R+h\right)}2}\left(2.3\right).\]

Принимая во внимание, что

\[g=\gamma \frac{M}{R2}(2.4)\]

получим:

\[h=\frac{R}{\frac{2gR}{v2_0}-1}.\]

Ответ. $h=\frac{R}{\frac{2gR}{v2_0}-1}$

Читать дальше: закон Паскаля для жидкостей и газов.

Источник: https://www.webmath.ru/poleznoe/fizika/fizika_106_zakon_vsemirnogo_tjagotenija_sila_tjazhesti.php

Закон всемирного тяготения. Движение тел под действием силы тяжести

Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

Исходя из трактовки второго закона Ньютона, можно сделать вывод, что изменение движения происходит посредствам силы. Механика рассматривает силы различной физической природы. Многие из них определяются с помощью действия сил тяготения.

Закон всемирного тяготения. Формулы

В 1862 году был открыт закон всемирного тяготения И. Ньютоном. Он предположил, что силы, удерживающие Луну, той же природы, что и силы, заставляющие яблоко падать на Землю. Смысл гипотезы состоит в наличии действия сил притяжения, направленных по линии и соединяющих центры масс, как изображено на рисунке 1.10.1. Шаровидное тело имеет центр массы, совпадающий с центром шара.

Рисунок 1.10.1. Гравитационные силы притяжения между телами. F1→=-F2→.

Далее, Ньютон искал физическое объяснение законам движения планет, которые открыл И. Кеплер в начале XVII века, и давал количественное выражение для гравитационных сил.

Определение 1

При известных направлениях движений планет Ньютон пытался выяснить, какие силы действуют на них. Этот процесс получил название обратной задачи механики.

Основная задача механики – определение координат тела известной массы с его скоростью в любой момент времени при помощи известных сил, действующих на тело, и заданным условием (прямая задача). Обратная же выполняется с определением действующих сил на тело с известным его направлением. Такие задачи привели ученого к открытию определения закона всемирного тяготения.

Ускорение свободного падения

Определение 2

Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

F=Gm1m2r2.

Значение G определяет коэффициент пропорциональности всех тел в природе, называемое гравитационной постоянной и обозначаемое по формуле G=6,67·10-11 Н·м2/кг2 (СИ).

Большинство явлений в природе объясняются наличием действия силы всемирного тяготения. Движение планет, искусственных спутников Земли, траектории полета баллистических ракет, движение тел вблизи поверхности Земли – все объясняется законом тяготения и динамики.

Определение 3

Проявлении силы тяготения характеризуется наличием силы тяжести. Так называется сила притяжения тел к Земле и вблизи ее поверхности.

Когда М обозначается как масса Земли, RЗ– радиус, m – масса тела, то формула силы тяжести принимает вид:

F=GMRЗ2m=mg.

Где g – ускорение свободного падения, равняющееся g=GMRЗ2.

Сила тяжести направлена к центру Земли, как показано в примере Луна-Земля. При отсутствии действия других сил тело движется с ускорением свободного падения. Его среднее значение равняется 9,81 м/с2. При известном G и радиусе R3=6,38·106 м производятся вычисления массы Земли М по формуле:

M=gR32G=5,98·1024 кг.

Если тело удаляется от поверхности Земли, тогда действие силы тяготения и ускорения свободного падения меняются обратно пропорционально квадрату расстояния r к центру. Рисунок 1.10.2 показывает, как изменяется сила тяготения, действующая на космонавта корабля, при удалении от Земли. Очевидно, что F притягивания его к Земле равняется 700 Н.

Рисунок 1.10.2. Изменение силы тяготения, действующей на космонавта при удалении от Земли.

Пример 1

Земля-Луна подходит в качестве примера взаимодействия системы двух тел.

Расстояние до Луны – rЛ=3,84·106 м. Оно в 60 раз больше радиуса Земли RЗ. Значит, при наличии земного притяжения, ускорение свободного падения αЛ орбиты Луны составит αЛ=gRЗrЛ2=9,81 м/с2602=0,0027 м/с2.

Оно направлено к центру Земли и получило название центростремительного. Расчет производится по формуле aЛ=υ2rЛ=4π2rЛT2=0,0027 м/с2, где Т =27,3 суток – период обращения Луны вокруг Земли. Результаты и расчеты, выполненные разными способами, говорят о том, что Ньютон был прав в своем предположении единой природы силы, удерживающей Луну на орбите, и силы тяжести.

Луна имеет собственное гравитационное поле, которое определяет ускорение свободного падения gЛ на поверхности. Масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, а радиус в 3,7 раза. Отсюда видно, что ускорение gЛ следует определять из выражения:

gЛ=GMЛRЛ2=GMЗ3,72T32=0,17 g=1,66 м/с2.

Такая слабая гравитация характерна для космонавтов, находящихся на Луне. Поэтому можно совершать огромные прыжки и шаги. Прыжок вверх на метр на Земле соответствует семиметровому на Луне.

Искусственные спутники Земли

Движение искусственных спутников зафиксировано за пределами земной атмосферы, поэтому на них оказывают действие силы тяготения Земли.

Траектория космического тела может изменяться в зависимости от начальной скорости.

Движение искусственного спутника по околоземной орбите приближенно принимается  в качестве расстояния до центра Земли, равняющемуся радиусу RЗ. Они летают на высотах 200-300 км. 

Определение 4

Отсюда следует, что центростремительное ускорение спутника, которое сообщается силами тяготения, равняется ускорению свободного падения g. Скорость спутника примет обозначение υ1. Ее называют первой космической скоростью.

Применив кинематическую формулу для центростремительного ускорения, получаем

an=υ12RЗ=g, υ1=gRЗ=7, 91·103 м/с.

При такой скорости спутник смог облететь Землю за время, равное T1=2πRЗυ1=84 мин 12 с.

Но период обращения спутника по круговой орбите вблизи Земли намного больше, чем указано выше, так как существует различие между радиусом реальной орбиты и радиусом Земли.

Спутник движется по принципу свободного падения, отдаленно похожее на траекторию снаряда или баллистической ракеты. Разница заключается в большой скорости спутника, причем радиус кривизны его траектории достигает длины радиуса Земли.

Спутники, которые движутся по круговым траекториям на больших расстояниях, имеют ослабленное земное притяжение, обратно пропорциональное квадрату радиуса r траектории. Тогда нахождение скорости спутника следует по условию:

υ2к=gR32r2, υ=gR3RЗr=υ1R3r.

Поэтому, наличие спутников на высоких орбитах говорит о меньшей скорости их движения, чем с околоземной орбиты. Формула периода обращения равняется:

T=2πrυ=2πrυ1rRЗ=2πRзυ1rR33/2=T12πRЗ.

T1 принимает значение периода обращения спутника по околоземной орбите. Т возрастает с размерами радиуса орбиты. Если r имеет значение 6,6 R3 то Т спутника равняется 24 часам.

При его запуске в плоскости экватора, будет наблюдаться, как висит над некоторой точкой земной поверхности. Применение таких спутников известно в системе космической радиосвязи.

Орбиту, имеющую радиус r=6,6 RЗ, называют геостационарной.

Рисунок 1.10.3. Модель движения спутников.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/sily-v-prirode/zakon-vsemirnogo-tjagotenija/

I. Механика

Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

– По какому закону вы собираетесь меня повесить?
– А мы вешаем всех по одному закону – закону Всемирного Тяготения.

Закон всемирного тяготения

Явление гравитации – это закон всемирного тяготения. Два тела действуют друг на друга с силой, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их масс.

Математически мы можем выразить этот великий закон формулой

Тяготение действует на огромных расстояниях во Вселенной. Но Ньютон утверждал, что взаимно притягиваются все предметы. А правда ли, что любые два предмета притягивают друг друга? Только представьте, известно, что Земля притягивает вас, сидящих на стуле.

Но задумывались ли о том, что компьютер и мышка притягивают друг друга? Или карандаш и ручка, лежащие на столе? В этом случае в формулу подставляем массу ручки, массу карандаша, делим на квадрат расстояния между ними, с учетом гравитационной постоянной, получаем силу их взаимного притяжения.

Но, она выйдет на столько маленькой (из-за маленьких масс ручки и карандаша), что мы не ощущаем ее наличие. Другое дело, когда речь идет о Земле и стуле, или Солнце и Земле. Массы значительные, а значит действие силы мы уже можем оценить.

Вспомним об ускорении свободного падения. Это и есть действие закона притяжения. Под действием силы тело изменяет скорость тем медленнее, чем больше масса. В результате, все тела падают на Землю с одинаковым ускорением.

Чем вызвана эта невидимая уникальная сила? На сегодняшний день известно и доказано существование гравитационного поля. Узнать больше о природе гравитационного поля можно в дополнительном материале темы.

Задумайтесь, что такое тяготение? Откуда оно? Что оно собой представляет? Ведь не может быть так, что планета смотрит на Солнце, видит, насколько оно удалено, подсчитывает обратный квадрат расстояния в соответствии с этим законом?

Направление силы притяжения

Есть два тела, пусть тело А и В. Тело А притягивает тело В. Сила, с которой тело А воздействует, начинается на теле B и направлена в сторону тела А. То есть как бы “берет” тело B и тянет к себе. Тело В “проделывает” то же самое с телом А.

Каждое тело притягивается Землей. Земля “берет” тело и тянет к своему центру. Поэтому эта сила всегда будет направлена вертикально вниз, и приложена она с центра тяжести тела, называют ее силой тяжести.

Главное запомнить

1) Закон и формулу;
2) Направление силы тяжести

Практическое применение закона*

Некоторые методы геологической разведки, предсказание приливов и в последнее время расчет движения искусственных спутников и межпланетных станций. Заблаговременное вычисление положения планет.

Опыт Кавендиша*

Можем ли мы сами поставить такой опыт, а не гадать, притягиваются ли планеты, предметы?

Такой прямой опыт сделал Кавендиш (Генри Кавендиш (1731-1810) – английский физик и химик) при помощи прибора, который показан на рисунке.

Идея состояла в том, чтобы подвесить на очень тонкой кварцевой нити стержень с двумя шарами и затем поднести к ним сбоку два больших свинцовых шара. Притяжение шаров слегка перекрутит нить – слегка, потому что силы притяжения между обычными предметами очень слабы.

При помощи такого прибора Кавендишу удалось непосредственно измерить силу, расстояние и величину обеих масс и, таким образом, определить постоянную тяготения G.

Уникальное открытие постоянной тяготения G, которая характеризует гравитационное поле в пространстве, позволила определить массу Земли, Солнца и других небесных тел. Поэтому Кавендиш назвал свой опыт “взвешиванием Земли”.

Связь с электричеством*

Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Обратимся к законам электричества (сила Кулона).

Электрические силы также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между зарядами , и невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл.

До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество как два разных проявления одной и той же сущности.

Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник.

Как можно говорить, что одно действует сильнее другого? Ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд. Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, вы не вправе говорить: “Возьмем массу такой-то величины”, потому что вы выбираете ее сами.

Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа (ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами, с нашими мерами), тогда мы сможем сравнивать. Мы возьмем элементарную заряженную частицу, такую, например, как электрон.

Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.

Вопрос: каково отношение силы тяготения к электрической силе? Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Это вызывает глубочайшее недоумение. Откуда могло взяться такое огромное число?

Люди ищут этот огромный коэффициент в других явлениях природы. Они перебирают всякие большие числа, а если вам нужно большое число, почему не взять, скажем, отношение диаметра Вселенной к диаметру протона – как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями.

И вот говорят: может быть, этот коэффициент и равен отношению диаметра протона к диаметру Вселенной? Это интересная мысль, но, поскольку Вселенная постепенно расширяется, должна меняться и постоянная тяготения. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу.

Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.

Нюансы о действии притяжения*

Эйнштейну пришлось видоизменить законы тяготения в соответствии с принципами относительности. Первый из этих принципов гласит, что расстояние х нельзя преодолеть мгновенно, тогда как по теории Ньютона силы действуют мгновенно. Эйнштейну пришлось изменить законы Ньютона. Эти изменения, уточнения очень малы.

Одно из них состоит вот в чем: поскольку свет имеет энергию, энергия эквивалентна массе, а все массы притягиваются, – свет тоже притягивается и, значит, проходя мимо Солнца, должен отклоняться. Так оно и происходит на самом деле. Сила тяготения тоже слегка изменена в теории Эйнштейна.

Но этого очень незначительного изменения в законе тяготения как раз достаточно, чтобы объяснить некоторые кажущиеся неправильности в движении Меркурия.

Физические явления в микромире подчиняются иным законам, нежели явления в мире больших масштабов.

Встает вопрос: как проявляется тяготение в мире малых масштабов? На него ответит квантовая теория гравитации. Но квантовой теории гравитации еще нет.

Люди пока не очень преуспели в создании теории тяготения, полностью согласованной с квантовомеханическими принципами и с принципом неопределенности.

Дополнительные источники*

Источник: http://fizmat.by/kursy/dinamika/tjagotenie

Referat. Всемирное тяготение

Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

Почему выпущенный из рук камень падает на Землю? Потому что его притягивает Земля, скажет каждый из вас. В самом деле, камень падает на Землю с ускорением свободного падения.

Следовательно, на камень со сто-роны Земли действует сила, направленная к Земле. Согласно третьему закону Ньютона и камень действует на Землю с такой же по модулю силой, направленной к камню.

Иными словами, между Землей и камнем действуют силы взаимного притяжения.

Ньютон был первым, кто сначала догадался, а потом и строго доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же. Это сила тяготения, действующая между любыми телами Вселенной. Вот ход его рассуждений, приведенных в главном труде Ньютона «Математические начала натуральной философии»:

«Брошенный горизонтально камень отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше» (рис. 1).

Рис. 1

Продолжая эти рассуждения, Ньютон приходит к выводу, что если бы не сопротивление воздуха, то траектория камня, брошенного с высокой горы с определенной скоростью, могла бы стать такой, что он вообще никогда не достиг бы поверхности Земли, а двигался вокруг нее «подобно тому, как планеты описывают в небесном пространстве свои орбиты».

Сейчас нам стало настолько привычным движение спутников вокруг Земли, что разъяснять мысль Ньютона подробнее нет необходимости.

Итак, по мнению Ньютона, движение Луны вокруг Земли или планет вокруг Солнца – это тоже свободное падение, но только падение, которое длится, не прекращаясь, миллиарды лет. Причиной такого «падения» (идет ли речь действительно о падении обычного камня на Землю или о движении планет по их орбитам) является сила всемирного тяготения. От чего же эта сила зависит?

Зависимость силы тяготения от массы тел

Галилей доказал, что при свободном падении Земля сообщает всем телам в данном месте одно и то же ускорение независимо от их массы. Но ускорение по второму закону Ньютона обратно пропорционально массе\[a = \frac {F}{m}\].

Как же объяснить, что ускорение, сообщаемое телу силой притяжения Земли, одинаково для всех тел? Это возможно лишь в том случае, если сила притяжения к Земле прямо пропорциональна массе тела. В этом случае увеличение массы т, например, вдвое приведет к увеличению модуля силы F тоже вдвое, а ускорение, которое равно \(a = \frac {F}{m}\), останется неизменным.

Обобщая этот вывод для сил тяготения между любыми телами, заключаем, что сила всемирного тяготения прямо пропорциональна массе тела, на которое эта сила действует.

Но во взаимном притяжении участвуют по меньшей мере два тела. На каждое из них, согласно третьему закону Ньютона, действуют одинаковые по модулю силы тяготения. Поэтому каждая из этих сил должна быть пропорциональна как массе одного тела, так и массе другого тела. Поэтому сила всемирного тяготения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс:

\(F \sim m_1 \cdot m_2\)

Зависимость силы тяготения от расстояния между телами

Из опыта хорошо известно, что ускорение свободного падения равно 9,8 м/с2 и оно одинаково для тел, падающих с высоты 1, 10 и 100 м, т. е. не зависит от расстояния между телом и Землей. Это как будто бы означает, что и сила от расстояния не зависит.

Но Ньютон считал, что отсчитывать расстояния надо не от поверхности, а от центра Земли. Но радиус Земли 6400 км.

Понятно, что несколько десятков, сотен или даже тысяч метров над поверхностью Земли не могут заметно изменить значение ускорения свободного падения.

Чтобы выяснить, как влияет расстояние между телами на силу их вза-имного притяжения, нужно было бы узнать, каково ускорение тел, удаленных от Земли на достаточно большие расстояния. Однако наблюдать и изучать свободное падение тела с высоты в тысячи километров над Землей трудно.

Но сама природа пришла здесь на помощь и дала возможность определить ускорение тела, движущегося по окружности вокруг Земли и обладающего поэтому центростремительным ускорением, вызванным, разумеется, той же силой притяжения к Земле.

Таким телом является естественный спутник Земли – Луна. Если бы сила притяжения между Землей и Луной не зависела от расстояния между ними, то центростремительное ускорение Луны было бы таким же, как ускорение тела, свободно падающего близ поверхности Земли.

В действительности же центростремительное ускорение Луны равно 0,0027 м/с2.

Докажем это. Обращение Луны вокруг Земли происходит под действием силы тяготения между ними. Приближенно орбиту Луны можно считать окружностью. Следовательно, Земля сообщает Луне центростремительное ускорение.

Оно вычисляется по формуле \(a = \frac {4 \pi2 \cdot R}{T2}\), где R – радиус лунной орбиты, равный примерно 60 радиусам Земли, Т ≈ 27 сут 7 ч 43 мин ≈ 2,4∙106 с – период обращения Луны вокруг Земли.

Учитывая, что радиус Земли Rз ≈ 6,4∙106 м, получим, что центростремительное ускорение Луны равно:

\(a = \frac {4 \pi2 \cdot 60 \cdot 6,4 \cdot 106}{(2,4 \cdot 106)2} \approx 0,0027\) м/с2.

Найденное значение ускорения меньше ускорения свободного падения тел у поверхности Земли (9,8 м/с2) приблизительно в 3600 = 602 раз.

Таким образом, увеличение расстояния между телом и Землей в 60 раз привело к уменьшению ускорения, сообщаемого земным притяжением, а следовательно, и самой силы притяжения в 602 раз.

Отсюда вытекает важный вывод: ускорение, которое сообщает телам сила притяжения к Земле, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли

\(F \sim \frac {1}{R2}\).

Физический смысл гравитационной постоянной

Из формулы (1) находим

\(G = F \cdot \frac {R2}{m_1 \cdot m_2}\).

Отсюда следует, что если расстояние между телами численно равно единице (R = 1 м) и массы взаимодействующих тел тоже равны единице (m1 = m2 = 1 кг), то гравитационная постоянная численно равна модулю силы F. Таким образом (физический смысл),

гравитационная постоянная численно равна модулю силы тяготения, действующей на тело массой 1 кг со стороны другого тела такой же массы при расстоянии между телами, равном 1 м.

В СИ гравитационная постоянная выражается в

.

Опыт Кавендиша

Значение гравитационной постоянной G может быть найдено только опытным путем. Для этого надо измерить модуль силы тяготения F, действующей на тело массой m1 со стороны тела массой m2 при известном расстоянии R между телами.

Первые измерения гравитационной постоянной были осуществлены в середине XVIII в. Оценить, правда весьма грубо, значение G в то время удалось в результате рассмотрения притяжения маятника к горе, масса которой была определена геологическими методами.

Точные измерения гравитационной постоянной впервые были проведены в 1798 г. английским физиком Г. Кавендишем с помощью прибора, называемого крутильными весами. Схематично крутильные весы показаны на рисунке 4.

Рис. 4

Кавендиш закрепил два маленьких свинцовых шара (диаметром 5 см и массой m1 = 775 г каждый) на противоположных концах двухметрового стержня. Стержень был подвешен на тонкой проволоке.

Для этой проволоки предварительно определялись силы упругости, возникающие в ней при закручивании на различные углы. Два больших свинцовых шара (диаметром 20 см и массой m2 = 49,5 кг) можно было близко подводить к маленьким шарам.

Силы притяжения со стороны больших шаров заставляли маленькие шары перемещаться к ним, при этом натянутая проволока немного закручивалась. Степень закручивания была мерой силы, действующей между шарами.

Угол закручивания проволоки (или поворота стержня с малыми шарами) оказался столь малым, что его пришлось измерять с помощью оптической трубы. Результат, полученный Кавендишем, только на 1% отличается от значения гравитационной постоянной, принятого сегодня:

G ≈ 6,67∙10-11 (Н∙м2)/кг2

Таким образом, силы притяжения двух тел массой по 1 кг каждое, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга, по модулям равны всего лишь 6,67∙10-11 Н. Это очень малая сила. Только в том случае, когда взаимодействуют тела огромной массы (или по крайней мере масса одного из тел велика), сила тяготения становится большой. Например, Земля притягивает Луну с силой F ≈ 2∙1020 Н.

Гравитационные силы – самые «слабые» из всех сил природы. Это связано с тем, что гравитационная постоянная мала. Но при больших массах космических тел силы всемирного тяготения становятся очень большими. Эти силы удерживают все планеты возле Солнца.

Значение закона всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения лежит в основе небесной механики – науки о движении планет. С помощью этого закона с огромной точностью определяются положения небесных тел на небесном своде на многие десятки лет вперед и вычисляются их траектории. Закон всемирного тяготения применяется также в расчетах движения искусственных спутников Земли и межпланетных автоматических аппаратов.

Возмущения в движении планет. Планеты не движутся строго по законам Кеплера. Законы Кеплера точно соблюдались бы для движения данной планеты лишь в том случае, когда вокруг Солнца обращалась бы одна эта планета. Но в Солнечной системе планет много, все они притягиваются как Солнцем, так и друг другом.

Поэтому возникают возмущения движения планет. В Солнечной системе возмущения невелики, потому что притяжение планеты Солнцем гораздо сильнее притяжения другими планетами. При вычислении видимого положения планет приходится учитывать возмущения.

При запуске искусственных небесных тел и при расчете их траекторий пользуются приближенной теорией движения небесных тел – теорией возмущений.

Открытие Нептуна. Одним из ярких примеров триумфа закона все-мирного тяготения является открытие планеты Нептун. В 1781 г. английский астроном Вильям Гершель открыл планету Уран. Была вычислена ее орбита и составлена таблица положений этой планеты на много лет вперед. Однако проверка этой таблицы, проведенная в 1840 г., показала, что данные ее расходятся с действительностью.

Ученые предположили, что отклонение в движении Урана вызвано притяжением неизвестной планеты, находящейся от Солнца еще дальше, чем Уран. Зная отклонения от расчетной траектории (возмущения движения Урана), англичанин Адаме и француз Леверрье, пользуясь законом всемирного тяготения, вычислили положение этой планеты на небе.

Адаме раньше закончил вычисления, но наблюдатели, которым он сообщил свои результаты, не торопились с проверкой. Тем временем Леверрье, закончив вычисления, указал немецкому астроному Галле место, где надо искать неизвестную планету. В первый же вечер, 28 сентября 1846 г., Галле, направив телескоп на указанное место, обнаружил новую планету.

Ее назвали Нептуном.

Таким же образом 14 марта 1930 г. была открыта планета Плутон. Оба открытия, как говорят, были сделаны «на кончике пера».

При помощи закона всемирного тяготения можно вычислить массу планет и их спутников; объяснить такие явления, как приливы и отливы воды в океанах, и многое другое.

Силы всемирного тяготения – самые универсальные из всех сил природы. Они действуют между любыми телами, обладающими массой, а массу имеют все тела. Для сил тяготения не существует никаких преград. Они действуют сквозь любые тела.

Литература

  1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учеб. для 9 кл. сред. шк. – М.: Просвещение, 1992. – 191 с.
  2. Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. – М.: Дрофа, 2002. – 496 с.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/Referat._%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%82%D1%8F%D0%B3%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

Когда учитель проводит урок физики в школе, то он часто дает следующее задание ученикам: «Приведите примеры проявления силы тяготения».

Не следует думать, что великий англичанин смог самостоятельно решить проблему вселенского масштаба.

В действительности многие его предшественники догадывались о математической зависимости для определения силы взаимодействия между массивными телами. Заслуга же Ньютона состоит в систематизации и детальном анализе накопленного научного опыта, которые привели к появлению закона Всемирного тяготения.

Закон всемирного тяготения.

Сила тяжести. Невесомость

Между любыми телами в природе существует сила взаимного притяжения, называемая силой всемирного тяготения (или силами гравитации). Закон всемирного тяготения был открыт Исааком Ньютоном в 1682 году. Когда еще ему было 23 года он высказал предположение, что силы, удерживающие Луну на ее орбите, той же природы, что и силы, заставляющие яблоко падать на Землю.

Все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. где F — сила всемирного тяготения, m1 , m2 – массы тел, R – расстояние между телами. Коэффициент пропорциональности G одинаков для всех тел в природе.

Его называют гравитационной постоянной Физический смысл гравитационной постоянной: гравитационная постоянная численно равна модулю силы тяготения, действующей между двумя точечными телами массой по 1 кг каждое, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга. G = 6,67· 10-11 Н м2/кг2 . Впервые прямые измерения гравитационной постоянной провел Г.

Виды взаимодействия Сила всемирного тяготения Сила тяжести Сила

10 силы в природе.pptx

упругости Вес тела Сила Архимеда Сила трения

4 типа взаимодействия: 1.

Гравитационное возникает между всеми телами в соответствии с законом всемирного тяготения; 2. превращения

взаимодействие радиус действия, м Гравитационное Электромагнитное

§ 15.

Закон всемирного тяготения. —

Вопросы.1.

Закон всемирного тяготения был открыт Исааком Ньютоном в XVII веке.4. Как читается закон всемирного тяготения?

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс, и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.5. Запишите формулу, выражающую закон всемирного тяготения. 6. В каких случаях следует применять эту формулу для расчета гравитационных сил?

Формулу можно применить для расчета гравитационных сил, если тела можно принять за материальные точки: 1) если размеры тел много меньше, чем расстояния между ними;

Закон всемирного тяготения. Движение тел под действием силы тяжести

  • »
  • » Механика
  • » Силы в природе

По второму закону Ньютона причиной изменения движения, т. е. причиной ускорения тел, является сила.

В механике рассматриваются силы различной физической природы. Многие механические явления и процессы определяются действием сил тяготения. Закон всемирного тяготения был открыт Исааком Ньютоном в 1682 году.

Еще в 1665 году 23-летний Ньютон высказал предположение, что силы, удерживающие Луну на ее орбите, той же природы, что и силы, заставляющие яблоко падать на Землю. Рисунок 1.10.1.

Сила всемирного тяготения

— не только самая загадочная из сил природы, но и самая могучая.

Лошадь ускорила его бег, верблюд сделал проходимыми пустыни, слон — болотистые джунгли.

Но физические силы даже самых сильных животных неизмеримо малы перед силами природы. Первой человек подчинил себе стихию огня, но лишь в самых ослабленных его вариантах. Вначале — в течение многих веков — использовал он в качестве горючего только дерево — очень малоэнергоемкий вид топлива.

Несколько позже этого источника энергии научился он использовать энергию ветра, человек поднял в воздух белое крыло паруса — и легкое судно птицей полетело по волнам.

Закон всемирного тяготения.

Примеры силы тяготения в повседневной жизни и в космосе

При изучении школьного курса физики важной темой раздела механики является Закон всемирного тяготения.

В данной статье подробнее рассмотрим, что он собой представляет, и с помощью какой математической формулы описывается, а также приведем примеры силы тяготения в повседневной жизни человека и космических масштабах.

Прежде чем приводить примеры силы всемирного тяготения, расскажем кратко, кому приписывают ее открытие.С давних времен люди наблюдали за звездами и планетами и знали, что они движутся по определенным траекториям.

Кроме того, любой человек, не обладающий специальными знаниями, понимал, что как бы далеко и высоко он не бросал камень или другой предмет, тот всегда падал на землю. Но ни один из людей даже не догадывался, что процессами на Земле и небесными телами управляет один и тот же природный закон.

В 1687 году сэр Исаак Ньютон опубликовал научный труд, в котором впервые изложил математическую формулировку Закона всемирного тяготения.

Учебники

Материал из PhysBook Почему выпущенный из рук камень падает на Землю?

Потому что его притягивает Земля, скажет каждый из вас. В самом деле, камень падает на Землю с ускорением свободного падения.

Следовательно, на камень со сто-роны Земли действует сила, направленная к Земле. Согласно третьему закону Ньютона и камень действует на Землю с такой же по модулю силой, направленной к камню.

Иными словами, между Землей и камнем действуют силы взаимного притяжения. Ньютон был первым, кто сначала догадался, а потом и строго доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же. Это сила тяготения, действующая между любыми телами Вселенной.

Вот ход его рассуждений, приведенных в главном труде Ньютона «Математические начала натуральной философии»: «Брошенный горизонтально камень отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю.

Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести

Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

Согласно законамНьютона, движение тела с ускорениемвозможно только под действием силы.Т.к. падающие тела движутся с ускорением,направленным вниз, то на них действуетсила притяжения к Земле.

Но не толькоЗемля обладает свойством действоватьна все тела силой притяжения. ИсаакНьютон предположил, что между всемителами действуют силы притяжения.

Этисилы называются силами всемирноготяготенияилигравитационнымисилами.

Распространивустановленные закономерности –зависимость силы притяжения тел к Землеот расстояний между телами и от массвзаимодействующих тел, полученные врезультате наблюдений,– Ньютон открылв 1682 г.

закон всемирного тяготения:Все тела притягиваются друг к другу,сила всемирного тяготения прямопропорциональна произведению масс тели обратно пропорциональна квадратурасстояния между ними:

.

Векторы силвсемирного тяготения направлены вдольпрямой, соединяющей тела. Коэффициентпропорциональности Gназываетсягравитационной постоянной(постоянной всемирного тяготения)иравна

.

Силой тяжестиназывается сила притяжения, действующаясо стороны Земли на все тела:

.

Пусть –масса Земли, а–радиус Земли. Рассмотрим зависимостьускорения свободного падения от высотыподъема над поверхностью Земли:

Вес тела. Невесомость

Вес тела – сила,с которой тело давит на опору или подвесвследствие притяжения этого тела кземле. Вес тела приложен к опоре (подвесу).Величина веса тела зависит от того, какдвижется тело с опорой (подвесом).

Вес тела, т.е. сила,с которой тело действует на опору, исила упругости, с которой опора действуетна тело, в соответствие с третьим закономНьютона равны по абсолютному значениюи противоположны по направлению.

Если тело находитсяв покое на горизонтальной опоре илиравномерно движется, на него действуюттолько сила тяжести и сила упругостисо стороны опоры, следовательно вестела равен силе тяжести (но эти силыприложены к разным телам):

.

При ускоренномдвижении вес тела не будет равен силетяжести. Рассмотрим движение тела массойmпод действием сил тяжестии упругости с ускорением. По 2-му законуНьютона:

Если ускорениетела направлено вниз, то вес тела меньшесилы тяжести; если ускорение теланаправлено вверх, то все тела большесилы тяжести.

Увеличение весатела, вызванное ускоренным движениемопоры или подвеса, называют перегрузкой.

Если тело свободнопадает, то из формулы * следует, что вестела равен нулю. Исчезновение веса придвижении опоры с ускорением свободногопадения называется невесомостью.

Состояние невесомостинаблюдается в самолете или космическомкорабле при движении их с ускорениемсвободного падения независимо отскорости их движения.

За пределамиземной атмосферы при выключенииреактивных двигателей на космическийкорабль действует только сила всемирноготяготения.

Под действием этой силыкосмический корабль и все тела, находящиесяв нем, движутся с одинаковым ускорением;поэтому в корабле наблюдается явлениеневесомости.

Движение тела под действием сил тяжести. Движение искусственных спутников. Первая космическая скорость

Если модульперемещения тела много меньше расстояниядо центра Земли, то можно считать силувсемирного тяготения во время движенияпостоянной, а движение тела равноускоренным.

Самый простой случай движения тела поддействием силы тяжести – свободноепадение с нулевой начальной скоростью.В этом случае тело движется с ускорениемсвободного падения к центру Земли.

Еслиесть начальная скорость, направленнаяне по вертикали, то тело движется покриволинейной траектории (параболе,если не учитывать сопротивление воздуха).

При некоторойначальной скорости тело, брошенное покасательной к поверхности Земли, поддействием силы тяжести при отсутствииатмосферы может двигаться по окружностивокруг Земли, не падая на нее и не удаляясьот нее. Такая скорость называется первойкосмической скоростью, а тело,движущееся таким образом –искусственнымспутником Земли (ИСЗ).

Определим первуюкосмическую скорость для Земли. Еслитело под действием силы тяжести движетсявокруг Земли равномерно по окружности,то ускорение свободного падения являетсяего центростремительным ускорением:

.

Отсюдапервая космическая скорость равна

.

Первая космическаяскорость для любого небесного телаопределяется таким же образом. Ускорениесвободного падения на расстоянии Rот центра небесного тела можнонайти, воспользовавшись вторым закономНьютона и законом всемирного тяготения:

.

Следовательно,первая космическая скорость на расстоянииR от центра небесного теламассойM равна

.

Для запуска наоколоземную орбиту ИСЗ необходимосначала вывести за пределы атмосферы.Поэтому космические корабли стартуютвертикально. На высоте 200 – 300 км отповерхности Земли, где атмосфераразрежена и почти не влияет на движениеИСЗ, ракета делает поворот и сообщаетИСЗ первую космическую скорость внаправлении, перпендикулярном вертикали.

Источник: https://StudFiles.net/preview/1793545/page:6/

Закон всемирного тяготения. Примеры силы тяготения в повседневной жизни и в космосе

Сила тяжести как пример проявления всемирного тяготения на земле

При изучении школьного курса физики важной темой раздела механики является Закон всемирного тяготения. В данной статье подробнее рассмотрим, что он собой представляет, и с помощью какой математической формулы описывается, а также приведем примеры силы тяготения в повседневной жизни человека и космических масштабах.

Кто открыл Закон всемирного тяготения

Прежде чем приводить примеры силы всемирного тяготения, расскажем кратко, кому приписывают ее открытие.

С давних времен люди наблюдали за звездами и планетами и знали, что они движутся по определенным траекториям.

Кроме того, любой человек, не обладающий специальными знаниями, понимал, что как бы далеко и высоко он не бросал камень или другой предмет, тот всегда падал на землю.

Но ни один из людей даже не догадывался, что процессами на Земле и небесными телами управляет один и тот же природный закон.

В 1687 году сэр Исаак Ньютон опубликовал научный труд, в котором впервые изложил математическую формулировку Закона всемирного тяготения. Конечно же, Ньютон не самостоятельно пришел к этой формулировке, что признавал лично.

Он использовал некоторые идеи своих современников (например, существование обратной пропорциональности от квадрата расстояния силы притяжения между телами), а также накопленный экспериментальный опыт о траекториях движения планет (три закона Кеплера).

Гений Ньютона проявил себя в том, что проанализировав весь имеющийся опыт, ученый смог его оформить в виде стройной и практически пригодной теории.

Кратко сформулировать Закон всемирного тяготения можно так: между всеми телами во Вселенной существует сила притяжения, которая обратно пропорциональна квадрату дистанции между их центрами масс и прямо пропорциональна произведению самих масс тел. Для двух тел с массами m1 и m2, которые друг от друга находятся на расстоянии r, изучаемый закон запишется в виде:

F = G*m1*m2/r2.

Здесь величина G – это постоянная гравитации.

Силу притяжения можно рассчитывать по этой формуле во всех случаях, если расстояния между телами достаточно велики по сравнению с их размерами.

В противном случае, а также в условиях сильной гравитации вблизи массивных космических объектов (нейтронных звезд, черных дыр) следует использовать разработанную Эйнштейном теорию относительности. Последняя рассматривает гравитацию как результат искажения пространства-времени.

В классическом же законе Ньютона гравитация – это результат взаимодействия тел с некоторым энергетическим полем, подобно электрическому или магнитному полям.

Проявление силы тяготения: примеры из повседневной жизни

Во-первых, в качестве таких примеров можно назвать любые падения тел с некоторой высоты. Например, листа или знаменитого яблока с дерева, падение камня, капель дождя, явления горных обвалов и оползней. Во всех этих случаях тела стремятся к центру нашей планеты.

Во-вторых, когда учитель просит учащихся: “Приведите примеры силы тяготения”, то им также следует вспомнить о существовании у всех тел веса. Когда телефон лежит на столе или когда человек взвешивается на весах, в этих случаях тело давит на опору. Вес тела – это яркий пример проявления силы тяготения, который совместно с реакцией опоры образует пару уравновешивающих друг друга сил.

Если формулу из предыдущего пункта использовать для земных условий (подставить в нее массу планеты и ее радиус), то можно получить следующее выражение:

F = m*g

Именно его используют при решении задач с силой тяжести. Здесь g – это ускорение, сообщаемое всем телам независимо от их массы при свободном падении. Если бы не существовало сопротивления воздуха, то тяжелый камень и легкое перышко падали бы за одно и то же время с одинаковой высоты.

Тяготение во Вселенной

Каждый знает, что Земля вместе с другими планетами вращается вокруг Солнца. В свою очередь, Солнце, находясь в одном из рукавов спиральной галактики Млечный путь, вращается вместе с сотнями миллионов звезд вокруг ее центра.

Сами галактики также приближаются друг к другу в так называемых местных скоплениях. Если вернуться назад в масштабах, то следует вспомнить спутники, которые вращаются вокруг своих планет, астероиды, которые на эти планеты падают или пролетают рядом.

Все перечисленные случаи можно вспомнить, если учитель просит школьников: “Приведите примеры силы тяготения”.

Отметим, что в последние десятилетия вопрос главной силы в космическом масштабе поставлен под сомнение. В локальном космосе ею без сомнения является сила гравитации. Однако, рассматривая вопрос на уровне галактики, в игру вступает иная, пока еще неизвестная сила, связанная с темной материей. Последняя проявляет себя в виде антигравитации.

Источник: https://FB.ru/article/461039/zakon-vsemirnogo-tyagoteniya-primeryi-silyi-tyagoteniya-v-povsednevnoy-jizni-i-v-kosmose

Адвокат24
Добавить комментарий