Gravedad y atracción. Gravedad

Vivimos en la Tierra, nos movemos a lo largo de su superficie, como a lo largo del borde de un acantilado rocoso que se eleva sobre un abismo sin fondo. Nos mantenemos en este borde del abismo sólo por lo que nos afecta. la gravedad de la tierra; no caemos de la superficie de la tierra solo porque tengamos, como dicen, cierto peso. Instantáneamente saldríamos volando de este “acantilado” y volaríamos rápidamente hacia el abismo del espacio si la fuerza de gravedad de nuestro planeta dejara de actuar repentinamente. Correríamos interminablemente en el abismo del espacio del mundo, sin saber ni arriba ni abajo.

locomoción de la tierra

Su movimiento en la tierra nosotros también se lo debemos a la gravedad. Caminamos sobre la Tierra y constantemente vencemos la resistencia de esta fuerza, sintiendo su acción, como una pesada carga sobre nuestros pies. Esta "carga" se hace sentir especialmente al escalar una montaña, cuando hay que arrastrarla, como una especie de pesos pesados colgando de los pies. Afecta no menos agudamente al descender la montaña, obligándonos a acelerar nuestros pasos. Venciendo la fuerza de la gravedad al moverse sobre la Tierra. Estas direcciones, "arriba" y "abajo", nos las indica la gravedad. En todos los puntos de la superficie terrestre, se dirige casi al centro de la Tierra. Por lo tanto, los conceptos de "abajo" y "arriba" serán diametralmente opuestos para las llamadas antípodas, es decir, personas que viven en partes diametralmente opuestas de la superficie terrestre. Por ejemplo, la dirección que para los habitantes de Moscú es "abajo", para los habitantes de Tierra del Fuego es "arriba". Las direcciones que muestran "abajo" para las personas en el polo y en el ecuador forman un ángulo recto; son perpendiculares entre si. Fuera de la Tierra, al alejarse de ella, la fuerza de gravedad disminuye, ya que disminuye la fuerza de atracción (la fuerza de atracción de la Tierra, como la de cualquier otro cuerpo del mundo, se extiende indefinidamente lejos en el espacio) y aumenta la fuerza centrífuga. , lo que reduce la fuerza de gravedad. Por tanto, cuanto más alto levantemos alguna carga, por ejemplo, en un globo, menos pesará esa carga.

La fuerza centrífuga de la tierra

Debido a la rotación diurna, fuerza centrífuga de la tierra. Esta fuerza actúa en todas partes sobre la superficie de la Tierra en una dirección perpendicular al eje de la tierra y alejándose de él. Fuerza centrífuga pequeño en comparación con gravedad. En el ecuador alcanza su mayor valor. Pero incluso aquí, según los cálculos de Newton, la fuerza centrífuga es sólo 1/289 de la fuerza de atracción. Cuanto más al norte del ecuador, menos fuerza centrífuga. En el mismo polo es cero.

La acción de la fuerza centrífuga de la Tierra. A cierta altura fuerza centrífuga aumentará tanto que será igual a la fuerza de atracción, y la fuerza de gravedad primero será igual a cero, y luego, al aumentar la distancia de la Tierra, tomará un valor negativo y aumentará continuamente, siendo dirigida en dirección opuesta con respecto a la Tierra.

Gravedad

La fuerza resultante de la atracción de la Tierra y la fuerza centrífuga se llama gravedad. La fuerza de gravedad en todos los puntos de la superficie terrestre sería la misma si nuestra bola fuera perfectamente precisa y regular, si su masa tuviera la misma densidad en todas partes y, finalmente, si no hubiera una rotación diaria alrededor del eje. Pero, dado que nuestra Tierra no es una bola regular, no consiste en todas sus partes de rocas de la misma densidad y gira todo el tiempo, entonces, por lo tanto, la gravedad en cada punto de la superficie terrestre es ligeramente diferente. Por lo tanto, en cada punto de la superficie terrestre la magnitud de la gravedad depende de la magnitud de la fuerza centrífuga, que reduce la fuerza de atracción, de la densidad de las rocas terrestres y de la distancia desde el centro de la tierra. A mayor distancia, menor gravedad. Los radios de la Tierra, que en un extremo, por así decirlo, descansan contra el ecuador terrestre, son los más grandes. Los radios que tienen como extremo el punto del Polo Norte o del Polo Sur son los más pequeños. Por lo tanto, todos los cuerpos en el ecuador tienen menos gravedad (menos peso) que en el polo. Se sabe que la gravedad es mayor en el polo que en el ecuador por 1/289. Esta diferencia de gravedad de los mismos cuerpos en el ecuador y en el polo se puede encontrar pesándolos con una balanza de resorte. Si pesamos cuerpos en balanzas con pesas, no notaremos esta diferencia. La balanza mostrará el mismo peso tanto en el polo como en el ecuador; los pesos, como los cuerpos que están siendo pesados, también, por supuesto, cambiarán de peso.

Balanzas de resorte como una forma de medir la gravedad en el ecuador y en el polo. Supongamos que un barco con carga pesa en las regiones polares, cerca del polo, unas 289 mil toneladas. A su llegada a los puertos cercanos al ecuador, un barco con carga pesará solo unas 288.000 toneladas. Así, en el ecuador, el barco perdió unas mil toneladas de peso. Todos los cuerpos se mantienen en la superficie de la tierra sólo por el hecho de que la gravedad actúa sobre ellos. Por la mañana, al levantarse de la cama, puede bajar los pies al suelo solo porque esta fuerza los empuja hacia abajo.

Gravedad dentro de la Tierra

Vamos a ver cómo cambia gravedad dentro de la tierra. A medida que nos adentramos más en la Tierra, la fuerza de la gravedad aumenta continuamente hasta cierta profundidad. A una profundidad de unos mil kilómetros, la gravedad tendrá un valor máximo (mayor) y aumentará con respecto a su valor medio en la superficie terrestre (9,81 m/s) en aproximadamente un cinco por ciento. Con mayor profundidad, la fuerza de gravedad disminuirá continuamente y en el centro de la Tierra será igual a cero.

Suposiciones sobre la rotación de la Tierra

Nuestro tierra giratoria da una vuelta completa sobre su eje en 24 horas. Se sabe que la fuerza centrífuga aumenta en proporción al cuadrado de la velocidad angular. Por lo tanto, si la Tierra acelera su rotación alrededor de su eje 17 veces, entonces la fuerza centrífuga aumentará 17 veces al cuadrado, es decir, 289 veces. En condiciones normales, como se mencionó anteriormente, la fuerza centrífuga en el ecuador es 1/289 de la fuerza de gravedad. con un aumento 17 veces la fuerza de atracción y la fuerza centrífuga se igualan. La fuerza de gravedad, la resultante de estas dos fuerzas, con tal aumento en la velocidad de rotación axial de la Tierra será igual a cero.

El valor de la fuerza centrífuga durante la rotación de la Tierra. Esta velocidad de rotación de la Tierra alrededor de su eje se llama crítica, ya que a tal velocidad de rotación de nuestro planeta todos los cuerpos en el ecuador perderían su peso. La duración de la jornada en este caso crítico será de aproximadamente 1 hora y 25 minutos. Con una mayor aceleración de la rotación de la Tierra, todos los cuerpos (principalmente en el ecuador) primero perderán su peso y luego serán arrojados al espacio por la fuerza centrífuga, y la Tierra misma será destrozada por la misma fuerza. Nuestra conclusión sería correcta si la Tierra fuera un cuerpo absolutamente sólido y, al acelerar su movimiento de rotación, no cambiara de forma, es decir, si el radio del ecuador terrestre mantuviera su valor. Pero se sabe que con la aceleración de la rotación de la Tierra, su superficie tendrá que sufrir alguna deformación: comenzará a contraerse en dirección a los polos ya expandirse en dirección al ecuador; tomará una apariencia cada vez más aplanada. Entonces, la longitud del radio del ecuador terrestre comenzará a aumentar y, por lo tanto, aumentará la fuerza centrífuga. Así, los cuerpos en el ecuador perderán su peso antes de que la velocidad de rotación de la Tierra aumente 17 veces, y la catástrofe con la Tierra llegará antes de que el día reduzca su duración a 1 hora y 25 minutos. En otras palabras, la velocidad crítica de rotación de la Tierra será algo menor y la duración máxima del día será algo mayor. Imagina mentalmente que la velocidad de rotación de la Tierra, por alguna razón desconocida, se acercará a la crítica. ¿Qué será entonces de los habitantes de la tierra? En primer lugar, en todas partes de la Tierra un día será, por ejemplo, de unas dos o tres horas. El día y la noche cambiarán caleidoscópicamente rápidamente. El sol, como en un planetario, se moverá muy rápido por el cielo, y tan pronto como te despiertes y te laves, ya desaparecerá tras el horizonte, y la noche vendrá a reemplazarlo. La gente ya no navegará con precisión en el tiempo. Nadie sabrá qué día del mes es y qué día de la semana es. La vida humana normal será desorganizada. Los relojes de péndulo se ralentizarán y luego se detendrán en todas partes. Caminan porque la gravedad actúa sobre ellos. De hecho, en nuestra vida cotidiana, cuando los "caminantes" comienzan a retrasarse o a correr, entonces es necesario acortar o alargar su péndulo, o incluso colgar algún peso adicional en el péndulo. Los cuerpos en el ecuador perderán su peso. Bajo estas condiciones imaginarias será fácil levantar cuerpos muy pesados. No será difícil cargar con un caballo, un elefante o incluso levantar una casa entera. Las aves perderán su capacidad de aterrizar. Aquí hay una bandada de gorriones dando vueltas sobre un abrevadero con agua. Pian fuerte, pero no pueden descender. Un puñado de grano arrojado por él colgaría sobre la Tierra en granos separados. Deje, además, que la velocidad de rotación de la Tierra se acerque cada vez más a la crítica. Nuestro planeta está fuertemente deformado y adquiere una apariencia cada vez más aplanada. Se compara con un carrusel que gira rápidamente y amenaza con deshacerse de sus habitantes. Entonces los ríos dejarán de fluir. Serán pantanos estancados durante mucho tiempo. Enormes barcos oceánicos apenas tocarán la superficie del agua con sus fondos, los submarinos no podrán sumergirse en las profundidades del mar, los peces y los animales marinos nadarán en la superficie de los mares y océanos, ya no podrán esconderse en las profundidades del mar. Los marineros ya no podrán fondear, ya no serán dueños de los timones de sus barcos, los barcos grandes y pequeños permanecerán inmóviles. Aquí hay otra imagen imaginaria. El tren de pasajeros se encuentra en la estación. El silbato ya ha sonado; el tren debe partir. El conductor tomó todas las medidas necesarias. El fogonero arroja generosamente carbón al horno. Grandes chispas salen de la chimenea de una locomotora de vapor. Las ruedas están girando desesperadamente. Pero la locomotora está parada. Sus ruedas no tocan los raíles y no existe fricción entre ellos. Llegará el momento en que la gente no podrá bajar al suelo; se pegarán como moscas al techo. Deja que la velocidad de rotación de la Tierra siga aumentando. La fuerza centrífuga es cada vez más superior en su magnitud a la fuerza de atracción... Entonces las personas, los animales, los artículos domésticos, las casas, todos los objetos de la Tierra, todo su mundo animal serán arrojados al espacio mundial. El continente australiano se separará de la Tierra y colgará en el espacio como una colosal nube negra. África volará hacia las profundidades del abismo silencioso, lejos de la Tierra. Las aguas del Océano Índico se convertirán en una gran cantidad de gotas esféricas y también volarán a distancias ilimitadas. El mar Mediterráneo, antes de que haya tenido tiempo de convertirse en gigantescos cúmulos de gotas, se separará del fondo con todo su espesor de agua, por el que se podrá pasar libremente desde Nápoles hasta Argel. Finalmente, la velocidad de rotación aumentará tanto, la fuerza centrífuga aumentará tanto que toda la Tierra se desgarrará. Sin embargo, esto tampoco puede suceder. La velocidad de rotación de la Tierra, como dijimos anteriormente, no aumenta, sino que, por el contrario, incluso disminuye un poco; sin embargo, es tan pequeña que, como ya sabemos, en 50 mil años aumenta la duración del día. por solo un segundo. En otras palabras, la Tierra ahora gira a tal velocidad que es necesaria para que la vida animal y animal prospere bajo los rayos caloríficos y vivificantes del Sol durante muchos milenios. mundo vegetal nuestro planeta.

Valor de fricción

Veamos ahora qué la fricción importa y qué pasaría si no estuviera allí. La fricción, como sabemos, tiene un efecto dañino en nuestra ropa: los abrigos desgastan primero las mangas y las botas las suelas, ya que las mangas y las suelas son las más sujetas a la fricción. Pero imagine por un momento que la superficie de nuestro planeta estuviera, por así decirlo, bien pulida, perfectamente lisa, y la posibilidad de fricción estaría excluida. ¿Podríamos caminar sobre una superficie así? Por supuesto que no. Todo el mundo sabe que incluso sobre hielo y suelo rozado es muy difícil caminar y hay que tener cuidado de no caerse. Pero la superficie del hielo y el piso frotado todavía tienen algo de fricción.

Fuerza de fricción sobre el hielo. Si la fuerza de fricción desapareciera en la superficie de la Tierra, reinaría para siempre un caos indescriptible en nuestro planeta. Si no hay fricción, el mar rugirá para siempre y la tormenta nunca amainará. Los tornados de arena no dejarán de cernirse sobre la Tierra, y el viento soplará constantemente. Los sonidos melódicos del piano, el violín y el terrible rugido de los animales depredadores se mezclarán y extenderán sin cesar en el aire. En ausencia de fricción, un cuerpo en movimiento nunca se detendría. En una superficie terrestre absolutamente lisa, varios cuerpos y objetos se mezclarían para siempre en una amplia variedad de direcciones. Ridículo y trágico sería el mundo de la Tierra, si no existiera la fricción y la atracción de la Tierra.

Primero, imagine la Tierra como una bola que no se mueve (Fig. 3.1, a). La fuerza gravitacional F entre la Tierra (masa M) y un objeto (masa m) está determinada por la fórmula: F=GRAMOmm/r2

donde r es el radio de la Tierra. La constante G se conoce como constante gravitacional universal y extremadamente pequeño. Cuando r es constante, la fuerza F es constante. metro. La atracción de un cuerpo de masa m por la Tierra determina el peso de este cuerpo: W = mg la comparación de las ecuaciones da: g = const = GM/r 2 .

La atracción de un cuerpo de masa m por parte de la Tierra hace que caiga "hacia abajo" con una aceleración g, que es constante en todos los puntos A, B, C y en todas partes de la superficie terrestre (Fig. 3.1.6).

El diagrama de las fuerzas de un cuerpo libre también muestra que hay una fuerza que actúa sobre la Tierra desde el lado de un cuerpo de masa m, que tiene dirección opuesta a la fuerza que actúa sobre el cuerpo desde la Tierra. Sin embargo, la masa M de la Tierra es tan grande que la aceleración "hacia arriba" a "de la Tierra, calculada mediante la fórmula F = Ma", es insignificante y puede despreciarse. La tierra tiene una forma que no es esférica: el radio en el polo r p es menor que el radio en el ecuador r e. Esto significa que la fuerza de atracción de un cuerpo con masa m en el polo F p \u003d GMm / r 2 p es mayor que en el ecuador F e = GMm/r e . Por lo tanto, la aceleración de caída libre g p en el polo es mayor que la aceleración de caída libre g e en el ecuador. La aceleración g cambia con la latitud de acuerdo con el cambio en el radio de la Tierra.

Como saben, la Tierra está en constante movimiento. Gira alrededor de su eje, dando una revolución cada día, y se mueve en órbita alrededor del Sol con una revolución de un año. Tomando por simplicidad la Tierra como una bola homogénea, consideremos el movimiento de cuerpos de masa m en el polo A y en el ecuador C (Fig. 3.2). En un día, el cuerpo en el punto A gira 360°, permaneciendo en su lugar, mientras que el cuerpo en el punto C recorre una distancia de 2lg. Para que el cuerpo ubicado en el punto C se mueva en una órbita circular, se necesita algún tipo de fuerza. Esta es una fuerza centrípeta, que está determinada por la fórmula mv 2 /r, donde v es la velocidad del cuerpo en órbita. La fuerza de atracción gravitatoria que actúa sobre un cuerpo situado en el punto C, F = GMm/r debe:

a) asegurar el movimiento del cuerpo en círculo;

b) atraer el cuerpo a la Tierra.

Así, F = (mv 2 /r) + mg en el ecuador y F = mg en el polo. Esto significa que g cambia con la latitud a medida que el radio de la órbita cambia de r en C a cero en A.

Es interesante imaginar lo que sucedería si la velocidad de rotación de la Tierra aumentara tanto que la fuerza centrípeta que actúa sobre el cuerpo en el ecuador fuera igual a la fuerza de atracción, es decir, mv 2 / r = F = GMm / r 2 . La fuerza gravitacional total se usaría únicamente para mantener el cuerpo en el punto C en una órbita circular, y no quedaría ninguna fuerza para actuar sobre la superficie de la Tierra. Cualquier aumento adicional en la velocidad de rotación de la Tierra permitiría que el cuerpo "flotara" hacia el espacio. Al mismo tiempo, si una nave espacial con astronautas a bordo se lanza a una altura R sobre el centro de la Tierra con una velocidad v, tal que se cumple la igualdad mv*/R=F = GMm/R 2, entonces esta nave espacial girará alrededor de la Tierra en condiciones de ingravidez.

Las mediciones precisas de la aceleración de caída libre g muestran que g varía con la latitud, como se muestra en la Tabla 3.1. De esto se deduce que el peso de un determinado cuerpo cambia sobre la superficie de la Tierra desde un máximo en una latitud de 90° hasta un mínimo en una latitud de 0°.

En este nivel de entrenamiento, los pequeños cambios en la aceleración g suelen despreciarse y se utiliza un valor medio de 9,81 m-s 2 . Para simplificar los cálculos, la aceleración g a menudo se toma como el número entero más cercano, es decir, 10 ms - 2, y, por lo tanto, la fuerza de atracción que actúa desde la Tierra sobre un cuerpo de 1 kg de masa, es decir, el peso, se toma como 10 N. La mayoría de los exámenes los tableros para los examinados sugieren usar g \u003d 10 m-s - 2 o 10 N-kg -1 para simplificar los cálculos.

¿Por qué ley me van a colgar?
- Y colgamos a todos de acuerdo con una ley: la ley de la gravitación universal.

Ley de la gravedad

El fenómeno de la gravedad es la ley de la gravitación universal. Dos cuerpos actúan uno sobre otro con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa y directamente proporcional al producto de sus masas.

Matemáticamente, podemos expresar esta gran ley mediante la fórmula

La gravedad actúa sobre grandes distancias en el universo. Pero Newton argumentó que todos los objetos se atraen mutuamente. ¿Es cierto que dos objetos cualesquiera se atraen? Imagínate, se sabe que la Tierra te atrae sentado en una silla. Pero, ¿alguna vez has pensado en el hecho de que una computadora y un mouse se atraen? ¿O un lápiz y un bolígrafo sobre la mesa? En este caso, sustituimos la masa de la pluma, la masa del lápiz en la fórmula, dividimos por el cuadrado de la distancia entre ellos, teniendo en cuenta la constante gravitacional, obtenemos la fuerza de su atracción mutua. Pero, saldrá tan pequeño (debido a las pequeñas masas de la pluma y el lápiz) que no sentiremos su presencia. Otra cosa es cuando se trata de la Tierra y una silla, o del Sol y la Tierra. Las masas son significativas, lo que significa que ya podemos evaluar el efecto de la fuerza.

Pensemos en la aceleración de caída libre. Esta es la operación de la ley de la atracción. Bajo la acción de una fuerza, el cuerpo cambia de velocidad cuanto más lento, mayor es la masa. Como resultado, todos los cuerpos caen a la Tierra con la misma aceleración.

¿Cuál es la causa de este poder único e invisible? Hasta la fecha, se conoce y está probada la existencia de un campo gravitatorio. Puedes aprender más sobre la naturaleza del campo gravitatorio en material adicional Temas.

Piensa en lo que es la gravedad. ¿De dónde es? ¿Que representa? Después de todo, ¿no puede ser que el planeta mire al Sol, vea cuánto se aleja, calcule el inverso del cuadrado de la distancia de acuerdo con esta ley?

Dirección de la gravedad

Hay dos cuerpos, digamos el cuerpo A y el cuerpo B. El cuerpo A atrae al cuerpo B. La fuerza con la que actúa el cuerpo A comienza sobre el cuerpo B y se dirige hacia el cuerpo A. Es decir, "toma" el cuerpo B y lo atrae hacia sí. . El cuerpo B "hace" lo mismo con el cuerpo A.

Todo cuerpo es atraído por la tierra. La tierra "toma" el cuerpo y lo atrae hacia su centro. Por tanto, esta fuerza siempre estará dirigida verticalmente hacia abajo, y se aplica desde el centro de gravedad del cuerpo, se llama gravedad.

Lo principal para recordar

Algunos métodos de exploración geológica, predicción de mareas y en tiempos recientes cálculo del movimiento de satélites artificiales y estaciones interplanetarias. Cálculo temprano de la posición de los planetas.

¿Podemos organizar un experimento de este tipo nosotros mismos y no adivinar si los planetas, los objetos se atraen?

Una experiencia tan directa hecha Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) - físico y químico inglés) utilizando el dispositivo que se muestra en la figura. La idea era colgar una varilla con dos bolas en un hilo de cuarzo muy fino y luego llevar dos bolas grandes de plomo a un lado de ellas. La atracción de las bolas torcerá el hilo ligeramente, ligeramente, porque las fuerzas de atracción entre los objetos ordinarios son muy débiles. Con la ayuda de tal instrumento, Cavendish pudo medir directamente la fuerza, la distancia y la magnitud de ambas masas y, por lo tanto, determinar constante gravitacional G.

El descubrimiento único de la constante gravitatoria G, que caracteriza el campo gravitatorio en el espacio, permitió determinar la masa de la Tierra, el Sol y otros cuerpos celestes. Por lo tanto, Cavendish llamó a su experiencia "pesar la Tierra".

Curiosamente, las diversas leyes de la física tienen algunas características comunes. Pasemos a las leyes de la electricidad (fuerza de Coulomb). Las fuerzas eléctricas también son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia, pero ya entre las cargas, y surge involuntariamente el pensamiento de que este patrón tiene un significado profundo. Hasta ahora nadie ha sido capaz de presentar la gravedad y la electricidad como dos manifestaciones diferentes de una misma esencia.

La fuerza aquí también varía inversamente con el cuadrado de la distancia, pero la diferencia en la magnitud de las fuerzas eléctricas y las fuerzas gravitatorias es sorprendente. Al tratar de establecer la naturaleza común de la gravedad y la electricidad, encontramos tal superioridad de las fuerzas eléctricas sobre las fuerzas gravitatorias que es difícil creer que ambas tengan la misma fuente. ¿Cómo puedes decir que uno es más fuerte que el otro? Después de todo, todo depende de cuál es la masa y cuál es la carga. Discutiendo sobre qué tan fuerte actúa la gravedad, no tienes derecho a decir: "Tomemos una masa de tal y tal tamaño", porque la eliges tú mismo. Pero si tomamos lo que la Naturaleza misma nos ofrece (sus propios números y medidas, que nada tienen que ver con nuestras pulgadas, años, nuestras medidas), entonces podemos comparar. Tomaremos una partícula cargada elemental, como por ejemplo un electrón. Dos partículas elementales, dos electrones, debido a la carga eléctrica se repelen con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa, y debido a la gravedad se atraen nuevamente con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

Pregunta: ¿Cuál es la relación entre la fuerza gravitatoria y la fuerza eléctrica? La gravitación está relacionada con la repulsión eléctrica como el uno con un número de 42 ceros. Esto es profundamente desconcertante. ¿De dónde podría venir un número tan grande?

La gente está buscando este enorme factor en otros fenómenos naturales. Pasan por todo tipo de números grandes, y si quieres un número grande, ¿por qué no tomar, digamos, la relación entre el diámetro del universo y el diámetro de un protón? Sorprendentemente, este también es un número con 42 ceros. Y dicen: ¿tal vez este coeficiente sea igual a la relación entre el diámetro del protón y el diámetro del universo? Este es un pensamiento interesante, pero a medida que el universo se expande gradualmente, la constante de gravedad también debe cambiar. Aunque esta hipótesis aún no ha sido refutada, no tenemos ninguna evidencia a su favor. Por el contrario, alguna evidencia sugiere que la constante de gravedad no cambió de esta manera. Este enorme número sigue siendo un misterio hasta el día de hoy.

Einstein tuvo que modificar las leyes de la gravedad de acuerdo con los principios de la relatividad. El primero de estos principios dice que la distancia x no puede ser superada instantáneamente, mientras que según la teoría de Newton, las fuerzas actúan instantáneamente. Einstein tuvo que cambiar las leyes de Newton. Estos cambios, los refinamientos son muy pequeños. Una de ellas es esta: como la luz tiene energía, la energía es equivalente a la masa, y todas las masas se atraen, la luz también atrae y, por tanto, al pasar por el Sol, debe ser desviada. Así es como sucede en realidad. La fuerza de la gravedad también está ligeramente modificada en la teoría de Einstein. Pero este ligero cambio en la ley de la gravedad es suficiente para explicar algunas de las aparentes irregularidades en el movimiento de Mercurio.

Los fenómenos físicos en el microcosmos están sujetos a otras leyes que los fenómenos en el mundo de las grandes escalas. Surge la pregunta: ¿cómo se manifiesta la gravedad en un mundo de pequeñas escalas? La teoría cuántica de la gravedad la responderá. Pero todavía no existe una teoría cuántica de la gravedad. La gente aún no ha tenido mucho éxito en la creación de una teoría de la gravedad que sea totalmente consistente con los principios de la mecánica cuántica y con el principio de incertidumbre.

La gravedad es la fuerza más misteriosa del universo. Los científicos no saben hasta el final de su naturaleza. Es ella quien mantiene en órbita los planetas del sistema solar. Es una fuerza que se produce entre dos objetos y depende de la masa y la distancia.

La gravedad se llama fuerza de atracción o gravitación. Con su ayuda, el planeta u otro cuerpo atrae objetos hacia su centro. La gravedad mantiene a los planetas en órbita alrededor del sol.

¿Qué más hace la gravedad?

¿Por qué aterrizas en el suelo cuando saltas en lugar de flotar en el espacio? ¿Por qué se caen los artículos cuando los dejas caer? La respuesta es una fuerza de gravedad invisible que atrae los objetos unos hacia otros. La gravedad de la Tierra es lo que te mantiene en el suelo y hace que las cosas caigan.

Todo lo que tiene masa tiene gravedad. El poder de la gravedad depende de dos factores: la masa de los objetos y la distancia entre ellos. Si coges una piedra y una pluma, déjalas ir desde la misma altura, ambos objetos caerán al suelo. Una piedra pesada caerá más rápido que una pluma. La pluma seguirá colgando en el aire, porque es más ligera. Los objetos con más masa tienen una mayor fuerza de atracción, que se debilita con la distancia: cuanto más cerca están los objetos entre sí, más fuerte es su atracción gravitacional.

Gravedad en la Tierra y en el Universo

Durante el vuelo de la aeronave, las personas que se encuentran en ella permanecen en su lugar y pueden moverse como si estuvieran en tierra. Esto sucede debido a la ruta de vuelo. Hay aviones especialmente diseñados en los que no hay gravedad a cierta altura, se forma la ingravidez. El avión realiza una maniobra especial, la masa de los objetos cambia, se elevan brevemente en el aire. Después de unos segundos, el campo gravitatorio se restablece.

Teniendo en cuenta la fuerza de la gravedad en el espacio, es mayor que la mayoría de los planetas del globo. Basta con observar el movimiento de los astronautas durante el aterrizaje en los planetas. Si caminamos tranquilamente por el suelo, entonces los astronautas parecen volar en el aire, pero no vuelan hacia el espacio. Esto significa que este planeta también tiene una fuerza gravitatoria, solo un poco diferente a la del planeta Tierra.

La fuerza de atracción del Sol es tan grande que sostiene nueve planetas, numerosos satélites, asteroides y planetas.

La gravedad juega un papel crucial en el desarrollo del universo. En ausencia de la gravedad, no habría estrellas, planetas, asteroides, agujeros negros, galaxias. Curiosamente, los agujeros negros no son realmente visibles. Los científicos determinan los signos de un agujero negro por el grado de poder del campo gravitacional en un área determinada. Si es muy fuerte con la vibración más fuerte, esto indica la existencia de un agujero negro.

Mito 1. No hay gravedad en el espacio

Al ver documentales sobre astronautas, parece que flotan sobre la superficie de los planetas. Esto se debe a que la gravedad en otros planetas es menor que en la Tierra, por lo que los astronautas caminan como si flotaran en el aire.

Mito 2. Todos los cuerpos que se acercan a un agujero negro se desgarran.

Los agujeros negros tienen una fuerza poderosa y forman poderosos campos gravitatorios. Cuanto más cerca está un objeto de un agujero negro, más fuertes se vuelven las fuerzas de marea y el poder de atracción. El desarrollo posterior de los eventos depende de la masa del objeto, el tamaño del agujero negro y la distancia entre ellos. Un agujero negro tiene una masa directamente opuesta a su tamaño. Curiosamente, cuanto más grande es el agujero, más débiles son las fuerzas de marea y viceversa. De este modo, no todos los objetos se rompen cuando entran en el campo de un agujero negro.

Mito 3. Los satélites artificiales pueden orbitar la Tierra para siempre

Teóricamente, se podría decir que sí, si no fuera por la influencia de factores secundarios. Mucho depende de la órbita. En una órbita baja, un satélite no podrá volar para siempre debido al frenado atmosférico; en órbitas altas, puede permanecer en un estado sin cambios durante bastante tiempo, pero aquí entran en vigor las fuerzas gravitatorias de otros objetos.

Si solo existiera la Tierra de todos los planetas, el satélite se sentiría atraído por ella y prácticamente no cambiaría la trayectoria del movimiento. Pero en órbitas altas, el objeto está rodeado por muchos planetas, grandes y pequeños, cada uno con su propia gravedad.

En este caso, el satélite se alejaría gradualmente de su órbita y se movería aleatoriamente. Y es probable que después de un tiempo, se haya estrellado contra la superficie más cercana o se haya movido a otra órbita.

Algunos hechos

En algunos rincones de la Tierra, la fuerza de la gravedad es más débil que en todo el planeta. Por ejemplo, en Canadá, en la región de la Bahía de Hudson, la gravedad es menor.
Cuando los astronautas regresan del espacio a nuestro planeta, al principio les resulta difícil adaptarse a la fuerza gravitacional del globo. A veces lleva varios meses.
Los agujeros negros tienen la fuerza gravitatoria más poderosa entre los objetos espaciales. Un agujero negro del tamaño de una bola tiene más poder que cualquier planeta.

A pesar del estudio en curso de la fuerza de la gravedad, la gravedad sigue sin descubrirse. Esto significa que el conocimiento científico sigue siendo limitado y la humanidad tiene mucho que aprender.

Newton, quien afirma que la fuerza de atracción gravitatoria entre dos puntos materiales de masa y , separados por una distancia, es proporcional a ambas masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia -es decir:

Aquí - constante gravitacional, igual a aproximadamente 6.6725 × 10 −11 m³ / (kg s²).

La ley de la gravitación universal es una de las aplicaciones de la ley del inverso del cuadrado, que también se da en el estudio de la radiación (ver, por ejemplo, Presión de la luz), y es consecuencia directa del aumento cuadrático del área del esfera con radio creciente, lo que conduce a una disminución cuadrática en la contribución de cualquier unidad de área al área de toda la esfera.

El campo gravitatorio, así como el campo de gravedad, es potencialmente . Esto significa que es posible introducir la energía potencial de la atracción gravitatoria de un par de cuerpos, y esta energía no cambiará después de mover los cuerpos a lo largo de un contorno cerrado. La potencialidad del campo gravitatorio conlleva la ley de conservación de la suma de las energías cinética y potencial, y al estudiar el movimiento de los cuerpos en un campo gravitatorio, muchas veces simplifica mucho la solución. En el marco de la mecánica newtoniana, la interacción gravitatoria es de largo alcance. Esto significa que no importa cómo se mueva un cuerpo masivo, en cualquier punto del espacio el potencial gravitatorio depende únicamente de la posición del cuerpo en este momento tiempo.

Grandes objetos espaciales: los planetas, las estrellas y las galaxias tienen una masa enorme y, por lo tanto, crean campos gravitatorios significativos.

La gravedad es la fuerza más débil. Sin embargo, dado que actúa a todas las distancias y todas las masas son positivas, es una fuerza muy importante en el universo. En particular, la interacción electromagnética entre cuerpos a escala cósmica es pequeña, ya que la carga eléctrica total de estos cuerpos es cero (la sustancia en su conjunto es eléctricamente neutra).

Además, la gravedad, a diferencia de otras interacciones, es universal en su efecto sobre toda la materia y la energía. No se han encontrado objetos que no tengan ninguna interacción gravitacional.

Debido a su naturaleza global, la gravedad también es responsable de efectos a gran escala como la estructura de las galaxias, los agujeros negros y la expansión del Universo, y de los fenómenos astronómicos elementales: las órbitas de los planetas y la simple atracción a la superficie de la Tierra. y cuerpos que caen.

La gravedad fue la primera interacción descrita por una teoría matemática. Aristóteles creía que los objetos con diferentes masas caen a diferentes velocidades. Solo mucho más tarde, Galileo Galilei determinó experimentalmente que este no era el caso: si se elimina la resistencia del aire, todos los cuerpos aceleran por igual. La ley de la gravedad de Isaac Newton (1687) fue una buena descripción del comportamiento general de la gravedad. En 1915, Albert Einstein creó la Teoría General de la Relatividad, que describe la gravedad con mayor precisión en términos de geometría del espacio-tiempo.

La mecánica celeste y algunos de sus problemas

La tarea más simple de la mecánica celeste es la interacción gravitacional de dos cuerpos puntuales o esféricos en el espacio vacío. Este problema en el marco de la mecánica clásica se resuelve analíticamente de forma cerrada; el resultado de su solución a menudo se formula en Tres Leyes de Kepler.

A medida que aumenta el número de cuerpos que interactúan, el problema se vuelve mucho más complicado. Entonces, el ya famoso problema de los tres cuerpos (es decir, el movimiento de tres cuerpos con masas distintas de cero) no se puede resolver analíticamente en vista general. Sin embargo, con una solución numérica, la inestabilidad de las soluciones con respecto a las condiciones iniciales se establece con bastante rapidez. Cuando se aplica al sistema solar, esta inestabilidad hace imposible predecir con precisión el movimiento de los planetas en escalas que superan los cien millones de años.

En algunos casos especiales, es posible encontrar una solución aproximada. El más importante es el caso cuando la masa de un cuerpo es significativamente mayor que la masa de otros cuerpos (ejemplos: sistema solar y la dinámica de los anillos de Saturno). En este caso, en una primera aproximación, podemos suponer que los cuerpos ligeros no interactúan entre sí y se mueven a lo largo de trayectorias keplerianas alrededor de un cuerpo masivo. Las interacciones entre ellos pueden tenerse en cuenta en el marco de la teoría de perturbaciones y promediarse a lo largo del tiempo. En este caso pueden surgir fenómenos no triviales como resonancias, atractores, aleatoriedad, etc. ejemplo ilustrativo tales fenómenos - la estructura compleja de los anillos de Saturno.

A pesar de los intentos de describir con precisión el comportamiento de un sistema de un gran número de cuerpos que se atraen de aproximadamente la misma masa, esto no se puede hacer debido al fenómeno del caos dinámico.

Fuertes campos gravitatorios

En campos gravitatorios fuertes, así como al moverse en un campo gravitatorio con velocidades relativistas, comienzan a aparecer los efectos de la teoría general de la relatividad (RG):

cambio en la geometría del espacio-tiempo;
- como consecuencia, la desviación de la ley de la gravedad de la newtoniana;
- y en casos extremos, la aparición de agujeros negros;
retardo potencial asociado con la velocidad de propagación finita de las perturbaciones gravitacionales;
- como consecuencia, la aparición de ondas gravitacionales;
efectos no lineales: la gravedad tiende a interactuar consigo misma, por lo que el principio de superposición en campos fuertes ya no es válido.

Radiación gravitatoria

Una de las predicciones importantes de la relatividad general es la radiación gravitatoria, cuya presencia aún no ha sido confirmada por observaciones directas. Sin embargo, existe una fuerte evidencia indirecta a favor de su existencia, a saber: pérdidas de energía en sistemas binarios cercanos que contienen objetos gravitantes compactos (como estrellas de neutrones o agujeros negros), en particular, en el famoso sistema PSR B1913 + 16 (Hulse-Taylor pulsar) - están en buen acuerdo con el modelo GR, en el que esta energía se lleva precisamente por la radiación gravitatoria.

La radiación gravitatoria solo puede ser generada por sistemas con momentos cuadripolares variables o multipolares mayores, este hecho sugiere que la radiación gravitacional de la mayoría de las fuentes naturales es direccional, lo que complica mucho su detección. poder de gravedad norte-la fuente de campo es proporcional a si el multipolo es de tipo eléctrico, y -si el multipolo es de tipo magnético, donde v es la velocidad característica de las fuentes en el sistema radiante, y C es la velocidad de la luz. Así, el momento dominante será el momento cuadripolar de tipo eléctrico, y la potencia de la radiación correspondiente es igual a:

donde es el tensor del momento cuadripolar de la distribución de masa del sistema radiante. La constante (1/W) permite estimar el orden de magnitud de la potencia de radiación.

Desde 1969 (experimentos de Weber ( inglés)), se están haciendo intentos para detectar directamente la radiación gravitatoria. En los EE. UU., Europa y Japón, actualmente hay varios detectores terrestres en funcionamiento (LIGO, VIRGO, TAMA ( inglés), GEO 600), así como el proyecto detector gravitacional espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna). El detector terrestre en Rusia se está desarrollando en el Centro Científico para la Investigación de Ondas Gravitacionales "Dulkyn" de la República de Tatarstán.

Efectos sutiles de la gravedad

Medición de la curvatura del espacio en la órbita de la Tierra (dibujo del artista)

Además de los efectos clásicos de la atracción gravitacional y la dilatación del tiempo, la teoría general de la relatividad predice la existencia de otras manifestaciones de la gravedad, que son muy débiles en condiciones terrestres y por tanto su detección y verificación experimental es muy difícil. Hasta hace poco, superar estas dificultades parecía estar más allá de las capacidades de los experimentadores.

Entre ellos, en particular, se pueden nombrar el arrastre de los marcos de referencia inerciales (o el efecto Lense-Thirring) y el campo gravitomagnético. En 2005, Gravity Probe B de la NASA realizó un experimento de precisión sin precedentes para medir estos efectos cerca de la Tierra. El procesamiento de los datos obtenidos se llevó a cabo hasta mayo de 2011 y confirmó la existencia y magnitud de los efectos de precesión geodésica y arrastre de los marcos de referencia inerciales, aunque con una precisión ligeramente inferior a la supuesta originalmente.

Después de un intenso trabajo de análisis y extracción de ruido de medición, los resultados finales de la misión se anunciaron en una conferencia de prensa en NASA-TV el 4 de mayo de 2011 y se publicaron en Physical Review Letters. El valor medido de la precesión geodésica fue −6601.8±18.3 milisegundos arcos por año, y el efecto de arrastre - −37,2±7,2 milisegundos arcos por año (comparar con los valores teóricos de −6606,1 mas/año y −39,2 mas/año).

Teorías clásicas de la gravedad

Ver también: Teorías de la gravedad

Debido al hecho de que los efectos cuánticos de la gravedad son extremadamente pequeños incluso en las condiciones experimentales y de observación más extremas, todavía no hay observaciones confiables de ellos. Las estimaciones teóricas muestran que, en la gran mayoría de los casos, uno puede limitarse a la descripción clásica de la interacción gravitatoria.

Hay un canónico moderno teoría clásica gravitación: la teoría general de la relatividad y muchas hipótesis y teorías refinadas de diversos grados de desarrollo, que compiten entre sí. Todas estas teorías dan predicciones muy similares dentro de la aproximación en la que actualmente se están realizando pruebas experimentales. Las siguientes son algunas de las principales, mejor desarrolladas o conocidas teorías de la gravedad.

Teoría general de la relatividad

En el enfoque estándar de la teoría general de la relatividad (GR), la gravedad se considera inicialmente no como una interacción de fuerzas, sino como una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo. Así, en la relatividad general, la gravedad se interpreta como un efecto geométrico, y el espacio-tiempo se considera en el marco de la geometría no euclidiana riemanniana (más precisamente, pseudo-riemanniana). El campo gravitatorio (una generalización del potencial gravitatorio newtoniano), a veces también llamado campo gravitatorio, en la relatividad general se identifica con el campo métrico tensorial, la métrica del espacio-tiempo de cuatro dimensiones, y la intensidad del campo gravitacional, con el afín. conexión del espacio-tiempo, determinada por la métrica.

La tarea estándar de la relatividad general es determinar los componentes del tensor métrico, que juntos determinan las propiedades geométricas del espacio-tiempo, de acuerdo con la distribución conocida de fuentes de energía-momento en el sistema de coordenadas de cuatro dimensiones en consideración. A su vez, el conocimiento de la métrica permite calcular el movimiento de las partículas de prueba, lo que equivale a conocer las propiedades del campo gravitatorio en un sistema dado. En relación con la naturaleza tensorial de las ecuaciones GR, así como con la justificación fundamental estándar para su formulación, se cree que la gravedad también tiene un carácter tensorial. Una de las consecuencias es que la radiación gravitacional debe ser al menos del orden de los cuadripolos.

Se sabe que en la relatividad general existen dificultades por la no invariancia de la energía del campo gravitatorio, ya que esta energía no está descrita por un tensor y puede determinarse teóricamente diferentes caminos. En la relatividad general clásica, también surge el problema de describir la interacción espín-órbita (ya que el espín de un objeto extendido tampoco tiene una definición única). Se cree que existen ciertos problemas con la unicidad de los resultados y la justificación de la consistencia (el problema de las singularidades gravitatorias).

Sin embargo, GR está confirmado experimentalmente hasta hace muy poco tiempo (2012). Además, muchos enfoques alternativos a los de Einstein, pero estándar para la física moderna, para la formulación de la teoría de la gravedad conducen a un resultado que coincide con la relatividad general en la aproximación de baja energía, que es la única disponible ahora para verificación experimental.

Teoría de Einstein-Cartan

Una división similar de ecuaciones en dos clases también tiene lugar en RTG, donde se introduce la segunda ecuación tensorial para tener en cuenta la conexión entre el espacio no euclidiano y el espacio de Minkowski. Debido a la presencia de un parámetro adimensional en la teoría de Jordan-Bruns-Dicke, es posible elegirlo de modo que los resultados de la teoría coincidan con los resultados de los experimentos gravitacionales. Al mismo tiempo, a medida que el parámetro tiende a infinito, las predicciones de la teoría se acercan cada vez más a la relatividad general, de modo que es imposible refutar la teoría de Jordan-Brance-Dicke mediante ningún experimento que confirme la teoría de la relatividad general.

teoría cuántica de la gravedad

A pesar de más de medio siglo de intentos, la gravedad es la única interacción fundamental para la cual aún no se ha construido una teoría cuántica consistente generalmente aceptada. A bajas energías, en el espíritu de la teoría cuántica de campos, la interacción gravitatoria puede considerarse como un intercambio de gravitones: bosones de calibre con espín 2. Sin embargo, la teoría resultante no es renormalizable y, por lo tanto, se considera insatisfactoria.

En las últimas décadas, se han desarrollado tres enfoques prometedores para resolver el problema de la cuantización de la gravedad: la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y la triangulación dinámica causal.

Teoria de las cuerdas

En él, en lugar de partículas y espacio-tiempo de fondo, aparecen cuerdas y sus contrapartes multidimensionales, las branas. Para problemas de alta dimensión, las branas son partículas de alta dimensión, pero en términos de partículas que se mueven en el interior estas branas, son estructuras espacio-temporales. Una variante de la teoría de cuerdas es la teoría M.

Gravedad cuántica de bucles

Se intenta formular una teoría cuántica de campos sin referencia al trasfondo del espacio-tiempo, el espacio y el tiempo, según esta teoría, constan de partes discretas. Estas pequeñas células cuánticas del espacio están conectadas entre sí de cierta manera, de modo que en pequeñas escalas de tiempo y longitud crean una estructura de espacio heterogénea y discreta, y en grandes escalas se convierten suavemente en un espacio-tiempo continuo y uniforme. Aunque muchos modelos cosmológicos solo pueden describir el comportamiento del universo desde el tiempo de Planck después del Big Bang, la gravedad cuántica de bucles puede describir el proceso de explosión en sí mismo e incluso mirar antes. La gravedad cuántica de bucles hace posible describir todas las partículas del modelo estándar sin necesidad de introducir el bosón de Higgs para explicar sus masas.

Articulo principal: Triangulación dinámica causal

En él, la variedad espacio-temporal se construye a partir de simples simples euclidianos (triángulo, tetraedro, pentácoro) de dimensiones del orden de Planck, teniendo en cuenta el principio de causalidad. La cuatridimensionalidad y el espacio-tiempo pseudo-euclidiano a escala macroscópica no se postulan en él, sino que son una consecuencia de la teoría.

ver también

notas

Literatura

V.P. de Vizgin Teoría relativista de la gravedad (orígenes y formación, 1900-1915). - M.: Nauka, 1981. - 352c.
V.P. de Vizgin Teorías unificadas en el 1er tercio del siglo XX. - M.: Nauka, 1985. - 304c.
Ivanenko D. D., Sardanashvili G. A. Gravedad. 3ra ed. - M.: URSS, 2008. - 200p.
Mizner C., Thorne K., Wheeler J. Gravedad. - M.: Mir, 1977.
espina k Agujeros negros y pliegues del tiempo. El audaz legado de Einstein. - M.: Editorial estatal de literatura física y matemática, 2009.

Enlaces

La ley de la gravitación universal o "¿Por qué la luna no cae sobre la Tierra?" - Justo sobre el complejo
Problemas con la gravedad (documental de la BBC, video)
Tierra y Gravedad; Teoría relativista de la gravedad (programas de televisión Gordon "Diálogos", video)

Teorías estándar de la gravedad
teorías de la gravedad