Явление тяготения. Сила тяжести
«Был этот свет глубокой тьмой окутан.
Да будет свет! И вот явился Ньютон»
Александр Поуп
Еще на первых темах были приведены примеры падения тел на Землю. Мяч, камень, перо или листик – все эти тела падают на Землю. Тогда было сказано, что это обусловлено явлением всемирного тяготения. В этой теме будет идти речь об этом явлении более подробно. Не одно десятилетие и даже не одно столетие люди пытались объяснить данное явление.
В древности люди считали, что Земля – это центр Вселенной, а все остальное вращается вокруг неё. Людей интересовало не только движение тел на Земле, но и на небе. Исходя из множества наблюдений, выяснилось, что многие планеты двигаются вокруг Земли более чем странно. Они то движутся вперед, то начинают выписывать какие-то петли, двигаясь назад, а потом снова начинают своё движение вперёд. Древнегреческий ученый, Клавдий Птолемей, выпустил целое собрание из тринадцати книг, в котором он обобщал астрономические и математические знания древнегреческого мира.
Чтобы объяснить движение планет, Птолемеем рисовались специальные окружности, специальные сферы, количество которых доходило до нескольких десятков – настолько Птолемей не хотел отказываться от теории о том, что Земля лежит в центре Вселенной. Кстати, также нелепо Птолемеем объяснялось явление смены времени суток.
Однако смог отказаться от такой теории Николай Коперник. Он решил, что Солнце находится в центре Вселенной, и все планеты вращаются именно вокруг Солнца.
Конечно, сегодня, глупо говорить о том, что Солнце находится в центре Вселенной, но, тем не менее, Коперник оказался прав: наблюдаемые с Земли планеты действительно вращаются вокруг Солнца. Этим легко объяснялось непонятное ранее движение планет (поскольку все они двигались не вокруг Земли, а вокруг Солнца, и сама Земля – тоже вращалась вокруг Солнца). В системе Коперника все стало гораздо яснее – не надо было придумывать никаких многочисленных сфер и окружностей, которые так усердно рисовал Птолемей в своих небесных картах.
Ранее говорилось, изменение скорости или направления движения тел может быть вызвано только силой.
Лишь в XVII веке Робертом Гуком впервые было высказано предположение о том, что Земля притягивается к Солнцу, и именно этим объясняется характер её движения.
Таким образом, получалось, что движение планет обеспечивается Солнцем, а точнее силой взаимодействия между планетами и Солнцем. Чуть позднее Исаак Ньютон предположил, что раз сила направлена в сторону изменения скорости, то это значит, что именно Солнце заставляет двигаться другие планеты, поскольку планеты обращаются вокруг него. Именно таким образом появились первые знания о явлении тяготения. Итак, явление всемирного тяготения – это явление взаимного притяжения между всеми телами во Вселенной. То есть, не только между Солнцем и планетами существует тяготение, но и между самими планетами тоже. Не только Земля притягивает к себе все тела, находящиеся на ней, но и сами тела притягиваются друг к другу. Правда, это притяжение очень незначительно, по сравнению с земным притяжением, поэтому, притяжение между другими телами не заметно.
Исаак Ньютон в одной из своих работ сформулировал закон всемирного тяготения, о котором подробно будет говориться позже. Ньютон строго доказал, что притяжение между телами тем больше, чем больше массы этих тел. Также, притяжение между телами тем меньше, чем больше расстояние между этими телами. Именно исходя из этого закона, можно себе представить, насколько незначительно притяжение тел на Земле друг к другу, по сравнению с притяжением между этими телами и Землёй.
Сила, с которой Земля притягивает к себе тело, называется силой тяжести. Сила тяжести, как и любая другая сила, обозначается буквой 
тяж. Индекс «тяж», указывает, что это именно сила тяжести. Необходимо запомнить, что сила тяжести всегда направлена вертикально вниз. Исходя из закона всемирного тяготения, сила тяжести, действующая на тело, прямо пропорциональна массе этого тела. Поэтому более тяжёлым называем то тело, которое имеет большую массу. Может возникнуть вопрос: «а какое расстояние может быть между Землёй и телом, покоящимся на её поверхности?». За расстояние между телами принимается расстояние между центрами этих тел. То есть, расстояние между Землёй и телом на её поверхности равно радиусу Земли. Из курса географии известно, что Земля не является идеальным шаром, а немного сплюснута у полюсов. Поэтому, на полюсах сила тяжести, действующая на тело, будет немного больше, чем сила тяжести, действующая на это же тело на экваторе.
Аналогично, если альпинист поднимется на высокую гору, то сила тяжести, действующая на него, станет немного меньше, чем сила тяжести, действовавшая на альпиниста у подножья горы.
Итак, сила тяжести прямо пропорциональна массе тела.
Fтяж = mg
Коэффициентом пропорциональности в этой зависимости является, так называемый, коэффициент g. Коэффициент g равен
g = 9,8 Н/кг
То есть, на тело, масса которого равна 1/9,8 кг, действует сила тяжести Fтяж в 1 Н.
Надо сказать, что сила тяжести на других планетах может сильно отличаться, поскольку каждая планета имеет свой собственный коэффициент g. Например, на Луне коэффициент g = 1,6 Н/кг, что примерно в шесть раз меньше, чем на Земле.
На Меркурии коэффициент g = 3,7 Н/кг. Меркурий – это наиболее близкая и наименьшая из основных планет Солнечной системы. Масса этой планеты почти в 19 раз меньше массы Земли. А вот самая большая планета Солнечной системы – Юпитер, в 317 раз массивнее Земли. Там коэффициент g ≈ 25 Н/кг/ Этот коэффициент зависит от размеров и массы небесного тела.
Вообще изучение Солнечной системы, да и космического пространства в целом очень важно для понимания процессов, происходящих на Земле.
Упражнения.
Задача 1. Найдите силу тяжести, действующую на тело, масса которого составляет 20 кг. Какова будет сила тяжести, действующая на это же тело на Луне?
Задача 2. Определите, какая сила тяжести будет больше: сила тяжести, действующая на тело массой 300 г на Юпитере или сила тяжести, действующая на тело массой 700 г, на Земле?
Основные выводы:
– Явление всемирного тяготения – это явление взаимного притяжения между всеми телами во Вселенной.
– Сила притяжения между двумя телами зависит от массы этих тел и от расстояния между ними.
– Сила тяжести прямо пропорциональна массе тела
Fтяж = mg
– g – коэффициент пропорциональности, который на Земле равен
g = 9,8 Н/кг
