Гравитационные силы, закон всемирного тяготения

Известно, что все тела в природе взаимно притягиваются друг к другу. И. Ньютон показал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же — это сила всемирного тяготения (гравитационная сила), действующая меж­ду любыми телами.

Гравитационные силы являются центральными, т. е. они направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие материальные точки.

Гравитационное взаимодействие между телами осущест­вляется с помощью гравитационного поля, порождаемого телами и являющегося одной из форм существования ма­терии. С каждым телом неразрывно связано гравитационное поле, проявляю­щееся в том, что на помещенную в поле материальную точку действует гравитационная сила, пропорциональная массе этой точки.

Закон всемирного тяготения был установлен Ньютоном в 1687 г. и формулируется так: две мате­риальные точки притягиваются друг к другу с сила­ми, прямо пропорциональными их массам и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними:

, (2.23)

где – гравитационная постоянная, имеющая одно и то же значение для всех тел и равное – .

Физический смысл гравитационной постоянной заклю­чается в том, что она численно равна силе взаимодействия двух тел массой 1 кг каждое, расположенных на расстоя­нии 1 м друг от друга.

Легко видеть, что гравитационные силы весьма малы. Так, сила притяжения между двумя вагонами массы 30 т каждый, расположенными на расстоянии 5 м один от другого, равна 2,4 ^. 10^-3 Н.

В формулу (2.23) для силы гравитационного взаимодейст­вия тел входят величины и — массы тел. Эти массы характеризуют гравитационное взаимодействие тел. С дру­гой стороны, как говорилось ранее, масса проявляет себя в качестве меры инертности в явлениях, описываемых вто­рым законом Ньютона. Поэтому, иногда первую называют гравитационной массой, а вторую — инертной массой. По­скольку в настоящее время эквивалентность обеих масс можно считать доказанной, в дальнейшем мы не будем их различать, но будем помнить, что одной и той же величи­ной — массой — характеризуются два различных свойства тела.

Одним из проявлений силы взаимного тяготения яв­ляется сила тяжести — сила притяжения тел к Земле. Если на тело действует только сила тяжести, то оно совер­шает свободное падение. Следовательно, свободное падение — это движение тела в безвоздушном прост­ранстве (вакууме) под действием силы тяжести. Кинематические закономерности данного движения были рассмотрены нами выше.

Весом тела называется сила, с которой тело действует на горизонтальную подставку или на вертикаль­ный подвес вследствие гравитационного притяжения к Земле. Это определение относится к системе отсчета, связан­ной с подставкой или подвесом. Оно соответствует прак­тике определения веса в земных условиях с помощью динамометра.

Рассмотрим, как изменяется вес тела, движущегося в вертикальном на­правлении с ускорением вместе с опорой (рисунок 2.1 а, б, в). На тело действуют сила тяжести и сила реакции опоры .

Рисунок 2.1 – Движение тела и опоры в вертикальном направлении

с различным ускорением.

Запишем основное уравнение динамики в векторной форме для трех случаев:

. (2.25)

В проекции на ось OY для каждого случая в отдельности:

1) если тело покоится, или движется равномерно и прямолинейно (рисунок 2.1 а), то

.

По третьему закону Ньютона модули сил .

Следовательно, вес тела

.

2) если тело движется вверх с ускорением (рисунок 2.1 б), то

.

Значит, (тело испытывает перегрузки).

3) если тело движется вертикально вниз с ускорением (рисунок 2.1 в), то

.

Следовательно, вес тела

. (2.26)

Если , то .

Состояние тела, когда его вес равен нулю, называют невесомостью. Из сказанного выше видно, что всякое свободно падающее тело (т. е. тело, движущееся только под действием силы тяжести) находится в состоя­нии невесомости.

Таким образом, в общем случае вес тела при вертикальном движении может быть в об­щем случае выражен формулой:

. (2.27)

Закон всемирного тяготения лежит в основе расчетов скоростей движения спутников Земли и других космических тел. Для того чтобы тело стало искусственным спутником, его надо под­нять на некоторую высоту (вывести на орбиту) и сообщить ему горизон­тальную относительно поверхности Земли скорость. Для запуска спутников используются ракеты. После вывода на орбиту ракета раз­гоняет спутник до требуемой скорости, после этого спутник отделяет­ся от ракеты-носителя и продолжает свое движение по орбите только под действием силы тяготения.

Лекция 3 Закон со­хранения импульса

3.1 Законы сохранения и свойства пространства и времени

3.2 Импульс тела, закон со­хранения импульса

3.3 Уравнение движения тела переменной массы

3.4 Формула Циолковского