Zwaartekracht is de krachtigste kracht in het heelal, een van de vier fundamentele principes van het heelal, die de structuur ervan bepaalt. Er waren eens dankzij hem planeten, sterren en hele sterrenstelsels. Tegenwoordig houdt het de aarde in een baan om de aarde tijdens zijn eindeloze reis rond de zon.

Aantrekking is ook van groot belang voor het dagelijks leven van een persoon. Dankzij deze onzichtbare kracht pulseren de oceanen van onze wereld, stromen rivieren en vallen regendruppels op de grond. Sinds onze kindertijd voelen we het gewicht van ons lichaam en de omringende objecten. Ook de invloed van de zwaartekracht op onze economische activiteiten is enorm.

De eerste zwaartekrachttheorie werd aan het einde van de 17e eeuw bedacht door Isaac Newton. Zijn Wet van Universele Gravitatie beschrijft deze interactie binnen het raamwerk van de klassieke mechanica. Dit fenomeen werd breder beschreven door Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie, die begin vorige eeuw werd gepubliceerd. De processen die plaatsvinden met behulp van de zwaartekracht op het niveau van elementaire deeltjes zouden verklaard moeten worden door de kwantumtheorie van de zwaartekracht, maar deze moet nog gecreëerd worden.

We weten tegenwoordig veel meer over de aard van de zwaartekracht dan in de tijd van Newton, maar ondanks eeuwen van onderzoek blijft het nog steeds een echt struikelblok voor de moderne natuurkunde. Er zijn veel witte vlekken in de bestaande theorie van de zwaartekracht, en we begrijpen nog steeds niet precies waardoor deze wordt gegenereerd en hoe deze interactie wordt overgedragen. En natuurlijk zijn we nog lang niet in staat de zwaartekracht te beheersen, dus antizwaartekracht of levitatie zal lange tijd alleen op de pagina's van sciencefictionromans bestaan.

Wat viel er op Newtons hoofd?

Mensen hebben zich altijd afgevraagd wat de aard is van de kracht die objecten naar de aarde trekt, maar pas in de 17e eeuw slaagde Isaac Newton erin de sluier van mysterie op te lichten. De basis voor zijn doorbraak werd gelegd door de werken van Kepler en Galileo, briljante wetenschappers die de bewegingen van hemellichamen bestudeerden.

Zelfs anderhalve eeuw vóór de wet van de universele zwaartekracht van Newton geloofde de Poolse astronoom Copernicus dat aantrekking “...niets meer is dan een natuurlijk verlangen waarmee de vader van het heelal alle deeltjes heeft begiftigd, namelijk om zich te verenigen tot één gemeenschappelijk geheel, bolvormige lichamen vormen.” Descartes beschouwde aantrekking als een gevolg van verstoringen in de wereldether. De Griekse filosoof en wetenschapper Aristoteles was er zeker van dat massa de snelheid van vallende lichamen beïnvloedt. En alleen Galileo Galilei bewees aan het einde van de 16e eeuw dat dit niet waar was: als er geen luchtweerstand is, versnellen alle objecten evenveel.

In tegenstelling tot de populaire legende van het hoofd en de appel, had Newton meer dan twintig jaar nodig om de aard van de zwaartekracht te begrijpen. Zijn wet van de zwaartekracht is een van de belangrijkste wetenschappelijke ontdekkingen aller tijden. Het is universeel en stelt je in staat de trajecten van hemellichamen te berekenen en het gedrag van objecten om ons heen nauwkeurig te beschrijven. De klassieke theorie van de zwaartekracht legde de basis voor de hemelmechanica. De drie wetten van Newton gaven wetenschappers de kans om nieuwe planeten letterlijk “op het puntje van hun pen” te ontdekken; uiteindelijk kon de mens dankzij hen de zwaartekracht van de aarde overwinnen en de ruimte in vliegen. Ze brachten een strikt wetenschappelijke basis aan het filosofische concept van de materiële eenheid van het universum, waarin alle natuurlijke verschijnselen met elkaar verbonden zijn en beheerst worden door algemene fysieke regels.

Newton publiceerde niet alleen een formule waarmee je de kracht kunt berekenen die lichamen naar elkaar toe trekt, hij creëerde een compleet model, dat ook wiskundige analyse omvatte. Deze theoretische conclusies zijn herhaaldelijk in de praktijk bevestigd, onder meer met behulp van de modernste methoden.

In de Newtoniaanse theorie genereert elk materieel object een aantrekkelijk veld, dat zwaartekracht wordt genoemd. Bovendien is de kracht evenredig met de massa van beide lichamen en omgekeerd evenredig met de afstand ertussen:

F = (G m1 m2)/r2

G is de zwaartekrachtconstante, die gelijk is aan 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Henry Cavendish was de eerste die dit in 1798 berekende.

In het dagelijks leven en in toegepaste disciplines wordt de kracht waarmee de aarde een lichaam aantrekt, gesproken als haar gewicht. De aantrekkingskracht tussen twee materiële objecten in het heelal is wat zwaartekracht in eenvoudige woorden is.

De zwaartekracht is de zwakste van de vier fundamentele interacties in de natuurkunde, maar is vanwege zijn eigenschappen in staat de beweging van sterrenstelsels en sterrenstelsels te reguleren:

• Aantrekking werkt op elke afstand, dit is het belangrijkste verschil tussen zwaartekracht en sterke en zwakke nucleaire interacties. Naarmate de afstand groter wordt, neemt het effect ervan af, maar het wordt nooit gelijk aan nul. We kunnen dus zeggen dat zelfs twee atomen die zich aan verschillende uiteinden van het sterrenstelsel bevinden, een wederzijdse invloed hebben. Het is gewoon heel klein;
• Zwaartekracht is universeel. Het veld van aantrekking is inherent aan elk materieel lichaam. Wetenschappers hebben nog geen object op onze planeet of in de ruimte ontdekt dat niet zou deelnemen aan dit soort interactie, dus de rol van de zwaartekracht in het leven van het heelal is enorm. Dit onderscheidt de zwaartekracht van elektromagnetische interactie, waarvan de invloed op kosmische processen minimaal is, aangezien de meeste lichamen in de natuur elektrisch neutraal zijn. Zwaartekrachtkrachten kunnen niet worden beperkt of afgeschermd;
• Zwaartekracht werkt niet alleen op materie, maar ook op energie. Voor hem doet de chemische samenstelling van objecten er niet toe; alleen hun massa is van belang.

Met behulp van de formule van Newton kan de aantrekkingskracht eenvoudig worden berekend. De zwaartekracht op de maan is bijvoorbeeld meerdere malen kleiner dan die op aarde, omdat onze satelliet een relatief kleine massa heeft. Maar het is voldoende om regelmatige eb en vloed in de Wereldoceaan te veroorzaken. Op aarde bedraagt ​​de versnelling als gevolg van de zwaartekracht ongeveer 9,81 m/s2. Bovendien is het aan de polen iets groter dan aan de evenaar.

Ondanks hun enorme belang voor de verdere ontwikkeling van de wetenschap hadden de wetten van Newton een aantal zwakke punten die onderzoekers achtervolgden. Het was niet duidelijk hoe de zwaartekracht over grote afstanden en met een onbegrijpelijke snelheid door de absoluut lege ruimte werkt. Bovendien begonnen zich geleidelijk gegevens te verzamelen die in tegenspraak waren met de wetten van Newton: bijvoorbeeld de zwaartekrachtparadox of de verplaatsing van het perihelium van Mercurius. Het werd duidelijk dat de theorie van de universele zwaartekracht verbetering behoeft. Deze eer viel de briljante Duitse natuurkundige Albert Einstein toe.

Aantrekking en de relativiteitstheorie

Newtons weigering om de aard van de zwaartekracht te bespreken (“Ik verzin geen hypothesen”) was een duidelijke zwakte van zijn concept. Het is niet verrassend dat er in de daaropvolgende jaren veel theorieën over de zwaartekracht naar voren kwamen.

De meeste behoorden tot de zogenaamde hydrodynamische modellen, die probeerden het optreden van zwaartekracht te onderbouwen door de mechanische interactie van materiële objecten met een tussensubstantie met bepaalde eigenschappen. Onderzoekers noemden het anders: "vacuüm", "ether", "gravitonstroom", enz. In dit geval ontstond de aantrekkingskracht tussen lichamen als gevolg van veranderingen in deze substantie, wanneer deze werd geabsorbeerd door objecten of afgeschermde stromingen. In werkelijkheid hadden al dergelijke theorieën één ernstig nadeel: door vrij nauwkeurig de afhankelijkheid van de zwaartekracht van de afstand te voorspellen, hadden ze moeten leiden tot de vertraging van lichamen die bewogen ten opzichte van de ‘ether’ of ‘gravitonstroom’.

Einstein benaderde dit probleem vanuit een andere hoek. In zijn algemene relativiteitstheorie (GTR) wordt zwaartekracht niet gezien als een interactie van krachten, maar als een eigenschap van de ruimte-tijd zelf. Elk object dat massa heeft, zorgt ervoor dat het buigt, wat aantrekking veroorzaakt. In dit geval is de zwaartekracht een geometrisch effect dat wordt beschouwd binnen het raamwerk van de niet-Euclidische meetkunde.

Simpel gezegd: het ruimte-tijd continuüm beïnvloedt de materie en veroorzaakt de beweging ervan. En zij beïnvloedt op haar beurt de ruimte door haar te ‘vertellen’ hoe ze moet buigen.

Aantrekkingskrachten werken ook in de microkosmos, maar op het niveau van elementaire deeltjes is hun invloed, vergeleken met elektrostatische interactie, verwaarloosbaar. Natuurkundigen geloven dat de zwaartekrachtinteractie in de eerste momenten (10-43 seconden) na de oerknal niet onderdoen voor andere.

Momenteel is het concept van zwaartekracht dat wordt voorgesteld in de algemene relativiteitstheorie de belangrijkste werkhypothese die door de meerderheid van de wetenschappelijke gemeenschap wordt aanvaard en wordt bevestigd door de resultaten van talrijke experimenten.

Einstein voorzag in zijn werk de verbazingwekkende effecten van zwaartekrachten, waarvan de meeste al zijn bevestigd. Bijvoorbeeld het vermogen van massieve lichamen om lichtstralen te buigen en zelfs de loop van de tijd te vertragen. Met dit laatste fenomeen moet rekening worden gehouden bij het gebruik van mondiale satellietnavigatiesystemen zoals GLONASS en GPS, anders zou hun fout na een paar dagen tientallen kilometers bedragen.

Bovendien zijn een gevolg van Einsteins theorie de zogenaamde subtiele effecten van de zwaartekracht, zoals het gravimagnetische veld en de weerstand van traagheidsreferentieframes (ook bekend als het Lense-Thirring-effect). Deze manifestaties van zwaartekracht zijn zo zwak dat ze lange tijd niet konden worden gedetecteerd. Pas in 2005 werd dankzij de unieke NASA-missie Gravity Probe B het Lense-Thirring-effect bevestigd.

Zwaartekrachtstraling of de meest fundamentele ontdekking van de afgelopen jaren

Zwaartekrachtgolven zijn trillingen van de geometrische ruimte-tijdstructuur die zich met de snelheid van het licht voortbewegen. Het bestaan ​​van dit fenomeen werd ook voorspeld door Einstein in de Algemene Relativiteitstheorie, maar vanwege de zwakte van de zwaartekracht is de omvang ervan erg klein, zodat het lange tijd niet kon worden gedetecteerd. Alleen indirect bewijs ondersteunde het bestaan ​​van straling.

Soortgelijke golven worden gegenereerd door materiële objecten die met asymmetrische versnelling bewegen. Wetenschappers omschrijven ze als ‘rimpelingen in de ruimte-tijd’. De krachtigste bronnen van dergelijke straling zijn botsende sterrenstelsels en instortende systemen bestaande uit twee objecten. Een typisch voorbeeld van dit laatste geval is het samensmelten van zwarte gaten of neutronensterren. Tijdens dergelijke processen kan zwaartekrachtstraling meer dan 50% van de totale massa van het systeem overbrengen.

Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst ontdekt in 2015 door twee LIGO-observatoria. Vrijwel onmiddellijk kreeg deze gebeurtenis de status van de grootste ontdekking in de natuurkunde van de afgelopen decennia. In 2017 ontving hij de Nobelprijs. Hierna slaagden wetenschappers er nog meerdere keren in zwaartekrachtstraling te detecteren.

In de jaren zeventig van de vorige eeuw – lang vóór de experimentele bevestiging – stelden wetenschappers voor om zwaartekrachtstraling te gebruiken voor communicatie over lange afstanden. Het onbetwiste voordeel is het hoge vermogen om door welke stof dan ook heen te gaan zonder te worden geabsorbeerd. Maar op dit moment is dit nauwelijks mogelijk, omdat er enorme moeilijkheden zijn bij het genereren en ontvangen van deze golven. En we hebben nog steeds niet genoeg echte kennis over de aard van de zwaartekracht.

Tegenwoordig zijn er in verschillende landen van de wereld verschillende installaties vergelijkbaar met LIGO actief en worden er nieuwe gebouwd. Het is waarschijnlijk dat we in de nabije toekomst meer zullen leren over zwaartekrachtstraling.

Alternatieve theorieën over universele zwaartekracht en de redenen voor hun creatie

Op dit moment is het dominante concept van zwaartekracht de algemene relativiteitstheorie. De gehele bestaande reeks experimentele gegevens en observaties is daarmee consistent. Tegelijkertijd heeft het een groot aantal duidelijke zwakheden en controversiële kwesties, dus pogingen om nieuwe modellen te creëren die de aard van de zwaartekracht verklaren, houden niet op.

Alle tot nu toe ontwikkelde theorieën over universele zwaartekracht kunnen in verschillende hoofdgroepen worden verdeeld:

• standaard;
• alternatief;
• quantum;
• uniforme veldtheorie.

Pogingen om een ​​nieuw concept van universele zwaartekracht te creëren, werden al in de 19e eeuw ondernomen. Verschillende auteurs hebben er de ether of de corpusculaire theorie van het licht in opgenomen. Maar de opkomst van de algemene relativiteitstheorie maakte een einde aan deze onderzoeken. Na de publicatie ervan veranderde het doel van wetenschappers - nu waren hun inspanningen gericht op het verbeteren van het model van Einstein, inclusief nieuwe natuurverschijnselen daarin: de spin van deeltjes, de uitdijing van het heelal, enz.

Aan het begin van de jaren tachtig hadden natuurkundigen experimenteel alle concepten verworpen, behalve die waarin de algemene relativiteitstheorie een integraal onderdeel was. In die tijd kwamen ‘snaartheorieën’ in de mode, die er veelbelovend uitzagen. Maar deze hypothesen zijn nooit experimenteel bevestigd. De afgelopen decennia heeft de wetenschap aanzienlijke hoogten bereikt en een enorme hoeveelheid empirische gegevens verzameld. Tegenwoordig worden pogingen om alternatieve zwaartekrachttheorieën te creëren voornamelijk geïnspireerd door kosmologisch onderzoek dat verband houdt met concepten als ‘donkere materie’, ‘inflatie’ en ‘donkere energie’.

Een van de belangrijkste taken van de moderne natuurkunde is de eenwording van twee fundamentele richtingen: de kwantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie. Wetenschappers proberen aantrekkingskracht te verbinden met andere soorten interacties en creëren zo een ‘theorie van alles’. Dit is precies wat kwantumzwaartekracht doet: een tak van de natuurkunde die een kwantumbeschrijving probeert te geven van zwaartekrachtinteracties. Een uitloper van deze richting is de theorie van de luszwaartekracht.

Ondanks actieve en jarenlange inspanningen is dit doel nog niet bereikt. En het gaat niet eens om de complexiteit van dit probleem: het gaat er alleen om dat de kwantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie op totaal verschillende paradigma’s zijn gebaseerd. Kwantummechanica houdt zich bezig met fysieke systemen die opereren tegen de achtergrond van de gewone ruimte-tijd. En in de relativiteitstheorie is ruimte-tijd zelf een dynamische component, afhankelijk van de parameters van de klassieke systemen die zich daarin bevinden.

Naast wetenschappelijke hypothesen over universele zwaartekracht zijn er ook theorieën die ver verwijderd zijn van de moderne natuurkunde. Helaas hebben dergelijke ‘opussen’ de afgelopen jaren eenvoudigweg het internet en de boekenwinkelplanken overspoeld. Sommige auteurs van dergelijke werken informeren de lezer over het algemeen dat zwaartekracht niet bestaat, en dat de wetten van Newton en Einstein ficties en bedrog zijn.

Een voorbeeld zijn de werken van de 'wetenschapper' Nikolai Levashov, die beweert dat Newton de wet van de universele zwaartekracht niet heeft ontdekt, en dat alleen de planeten en onze satelliet, de maan, zwaartekracht hebben in het zonnestelsel. Deze “Russische wetenschapper” levert nogal vreemd bewijsmateriaal. Eén daarvan is de vlucht van de Amerikaanse sonde NEAR Shoemaker naar de asteroïde Eros, die plaatsvond in 2000. Levashov beschouwt het gebrek aan aantrekkingskracht tussen de sonde en het hemellichaam als bewijs van de valsheid van de werken van Newton en de samenzwering van natuurkundigen die de waarheid over de zwaartekracht voor mensen verbergen.

In feite voltooide het ruimtevaartuig zijn missie met succes: eerst kwam het in een baan om de asteroïde en maakte vervolgens een zachte landing op het oppervlak.

Kunstmatige zwaartekracht en waarom het nodig is

Er zijn twee concepten die verband houden met zwaartekracht en die, ondanks hun huidige theoretische status, goed bekend zijn bij het grote publiek. Dit zijn anti-zwaartekracht en kunstmatige zwaartekracht.

Antizwaartekracht is een proces waarbij de aantrekkingskracht wordt tegengegaan, waardoor deze aanzienlijk kan worden verminderd of zelfs kan worden vervangen door afstoting. Het beheersen van dergelijke technologie zou leiden tot een echte revolutie in transport, luchtvaart en ruimteverkenning en zou ons hele leven radicaal veranderen. Maar op dit moment heeft de mogelijkheid van anti-zwaartekracht niet eens een theoretische bevestiging. Bovendien is een dergelijk fenomeen op basis van de algemene relativiteitstheorie helemaal niet haalbaar, omdat er geen negatieve massa in ons heelal kan zijn. Het is mogelijk dat we in de toekomst meer over de zwaartekracht leren en vliegtuigen leren bouwen op basis van dit principe.

Kunstmatige zwaartekracht is een door de mens veroorzaakte verandering in de bestaande zwaartekracht. Tegenwoordig hebben we dergelijke technologie niet echt nodig, maar de situatie zal zeker veranderen na de start van langdurige ruimtevaart. En het punt ligt in onze fysiologie. Het menselijk lichaam, dat gedurende miljoenen jaren van evolutie ‘gewend’ is aan de constante zwaartekracht van de aarde, neemt de effecten van verminderde zwaartekracht uiterst negatief waar. Een lang verblijf, zelfs in omstandigheden met maanzwaartekracht (zes keer zwakker dan die van de aarde), kan ernstige gevolgen hebben. De illusie van aantrekking kan worden gecreëerd met behulp van andere fysieke krachten, zoals traagheid. Dergelijke opties zijn echter complex en duur. Op dit moment heeft kunstmatige zwaartekracht niet eens een theoretische rechtvaardiging; het is duidelijk dat de mogelijke praktische implementatie ervan een kwestie van de zeer verre toekomst is.

Zwaartekracht is een concept dat iedereen al sinds school kent. Het lijkt erop dat wetenschappers dit fenomeen grondig hadden moeten onderzoeken! Maar de zwaartekracht blijft het diepste mysterie voor de moderne wetenschap. En dit kan een uitstekend voorbeeld worden genoemd van hoe beperkt de menselijke kennis is over onze enorme en prachtige wereld.

Als je vragen hebt, laat ze dan achter in de reacties onder het artikel. Wij of onze bezoekers beantwoorden ze graag

1. Obi-Wan Kenobi uit Star Wars zei dat de Force “overal om ons heen is en ons doordringt; het houdt de melkweg bij elkaar.” Hij zou dit heel goed kunnen zeggen over de zwaartekracht. Zijn aantrekkelijke eigenschappen houden de Melkweg letterlijk bij elkaar en ‘penetreren’ ons, waardoor we fysiek naar de aarde worden getrokken.

2. In tegenstelling tot de Force met zijn donkere en lichte kanten is de zwaartekracht echter niet tweeledig; het trekt alleen maar aan en stoot nooit af.

3. NASA probeert een trekstraal te ontwikkelen die fysieke objecten kan verplaatsen, waardoor een trekkracht ontstaat die groter is dan de zwaartekracht.

4. Achtbaanpassagiers en astronauten op het ruimtestation ervaren microzwaartekracht – ten onrechte nulzwaartekracht genoemd – omdat ze met dezelfde snelheid vallen als het ruimtevaartuig waarin ze zich bevinden.

5. Iemand die op aarde 60 kilogram weegt, zou op Jupiter 142 kilogram wegen (als het mogelijk zou zijn om op de gasreus te staan). De grotere massa van de planeet betekent ook een grotere zwaartekracht.

6. Om de zwaartekracht van de aarde goed te verlaten, moet elk object een snelheid van 11,2 kilometer per seconde bereiken - dit is de ontsnappingssnelheid van onze planeet.

7. Zwaartekracht is vreemd genoeg de zwakste van de vier fundamentele krachten van het universum. De andere drie zijn elektromagnetisme, de zwakke kernkracht die het verval van atomen regelt; en de sterke kernkracht, die de kernen van atomen bij elkaar houdt.

8. Een magneet ter grootte van een munt heeft voldoende elektromagnetische kracht om de volledige zwaartekracht van de aarde te overwinnen en aan de koelkast te blijven plakken.

9. De appel viel niet op het hoofd van Isaac Newton, maar hij vroeg zich wel af of de kracht die ervoor zorgt dat de appel valt, invloed heeft op de beweging van de maan rond de aarde.

10. Deze zelfde appel leidde tot de opkomst van de eerste wet van omgekeerde kwadratische evenredigheid in de wetenschap, F = G * (mM)/r2. Dit betekent dat een object dat twee keer zo ver weg is, slechts een kwart van de eerdere zwaartekracht uitoefent.

11. De wet van omgekeerde kwadratische evenredigheid betekent ook dat zwaartekrachtaantrekking technisch gezien een onbeperkt actieradius heeft.

12. Een andere betekenis van het woord "zwaartekracht" - wat "iets zwaars of ernstigs" betekent - verscheen eerder en komt van het Latijnse "gravis", wat "zwaar" betekent.

13. De zwaartekracht versnelt alle voorwerpen evenveel, ongeacht het gewicht. Als je twee ballen van dezelfde grootte maar met verschillende gewichten van een dak laat vallen, zullen ze tegelijkertijd de grond raken. De grotere traagheid van een zwaarder object heft de eventuele extra snelheid ten opzichte van een lichter object op.

14. Einsteins algemene relativiteitstheorie was de eerste theorie die de zwaartekracht beschouwde als de kromming van de ruimtetijd – het ‘weefsel’ waaruit het fysieke universum bestaat.

15. Elk object met massa buigt de ruimte-tijd om zichzelf heen. In 2011 toonde NASA's Gravity Probe B-experiment aan dat de aarde het universum om zich heen draait als een houten bal in melasse - precies zoals Einstein had voorspeld.

16. Door ruimte-tijd om zichzelf heen te buigen, richt een massief object soms de lichtstralen die er doorheen gaan, net zoals een glazen lens dat doet. Zwaartekrachtlenzen kunnen gemakkelijk de schijnbare omvang van verre sterrenstelsels vergroten of hun licht in vreemde vormen uitsmeren.

17. Het ‘drielichamenprobleem’, dat alle mogelijke patronen beschrijft waarin drie objecten alleen onder invloed van de zwaartekracht om elkaar heen kunnen draaien, houdt wetenschappers al driehonderd jaar bezig. Tot nu toe zijn er slechts 16 van zijn oplossingen gevonden – en 13 daarvan zijn pas in maart van dit jaar verkregen.

18. Hoewel de andere drie fundamentele krachten goed overweg kunnen met de kwantummechanica – de wetenschap van het ultrakleine – weigert de zwaartekracht ermee samen te werken; kwantumvergelijkingen vallen uiteen wanneer je de zwaartekracht erin probeert op te nemen. Hoe deze twee absoluut nauwkeurige en totaal tegengestelde beschrijvingen van het universum met elkaar te verzoenen is een van de grootste problemen in de moderne natuurkunde.

19. Om de zwaartekracht beter te begrijpen, zoeken wetenschappers naar zwaartekrachtgolven: rimpelingen in de ruimte-tijd die ontstaan ​​door gebeurtenissen zoals botsingen tussen zwarte gaten en sterexplosies.

20. Zodra ze erin slagen zwaartekrachtgolven te detecteren, zullen wetenschappers naar de kosmos kunnen kijken op een manier die nog nooit eerder is gedaan. ‘Elke keer dat we op een nieuwe manier naar het heelal kijken,’ zegt Amber Stuever, natuurkundige van het Louisiana Gravitational Wave Observatory, ‘verandert dit een revolutie in ons begrip ervan.’

Zwaartekracht is de kracht waarmee lichamen met een bepaalde massa die zich op een bepaalde afstand van elkaar bevinden, tot elkaar worden aangetrokken.

De Engelse wetenschapper Isaac Newton ontdekte in 1867 de wet van de universele zwaartekracht. Dit is een van de fundamentele wetten van de mechanica. De essentie van deze wet is als volgt:twee materiële deeltjes worden tot elkaar aangetrokken met een kracht die direct evenredig is met het product van hun massa en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand ertussen.

De zwaartekracht is de eerste kracht die een persoon voelt. Dit is de kracht waarmee de aarde inwerkt op alle lichamen die zich op het oppervlak bevinden. En iedereen voelt deze kracht als zijn eigen gewicht.

Wet van de zwaartekracht

Er is een legende dat Newton de wet van de universele zwaartekracht heel toevallig ontdekte, terwijl hij 's avonds in de tuin van zijn ouders wandelde. Creatieve mensen zijn voortdurend op zoek, en wetenschappelijke ontdekkingen zijn geen onmiddellijk inzicht, maar de vrucht van langdurig mentaal werk. Terwijl hij onder een appelboom zat, overwoog Newton een ander idee, en plotseling viel er een appel op zijn hoofd. Newton begreep dat de appel viel als gevolg van de zwaartekracht van de aarde. “Maar waarom valt de maan niet op de aarde? - hij dacht. “Dit betekent dat er een andere kracht op werkt die het in een baan om de aarde houdt.” Dit is hoe de beroemde wet van universele zwaartekracht.

Wetenschappers die eerder de rotatie van hemellichamen hadden bestudeerd, geloofden dat hemellichamen aan totaal verschillende wetten gehoorzamen. Dat wil zeggen, er werd aangenomen dat er totaal verschillende zwaartekrachtwetten zijn op het aardoppervlak en in de ruimte.

Newton combineerde deze voorgestelde soorten zwaartekracht. Bij het analyseren van de wetten van Kepler die de beweging van planeten beschrijven, kwam hij tot de conclusie dat de aantrekkingskracht tussen alle lichamen ontstaat. Dat wil zeggen dat zowel op de appel die in de tuin viel als op de planeten in de ruimte krachten worden uitgeoefend die aan dezelfde wet gehoorzamen: de wet van de universele zwaartekracht.

Newton stelde vast dat de wetten van Kepler alleen van toepassing zijn als er een aantrekkingskracht tussen de planeten bestaat. En deze kracht is direct evenredig met de massa van de planeten en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand ertussen.

De aantrekkingskracht wordt berekend met de formule F=G m 1 m 2 / r 2

m 1 – massa van het eerste lichaam;

m2– massa van het tweede lichaam;

R – afstand tussen lichamen;

G – evenredigheidscoëfficiënt, die wordt genoemd zwaartekrachtconstante of constante van universele zwaartekracht.

De waarde ervan werd experimenteel bepaald. G= 6,67 10 -11 Nm 2 /kg 2

Als twee materiële punten met een massa gelijk aan de eenheidsmassa zich op een afstand bevinden die gelijk is aan de eenheidsafstand, dan trekken ze elkaar aan met een kracht gelijk aan G.

De aantrekkingskrachten zijn zwaartekrachten. Ze worden ook wel genoemd zwaartekrachten. Ze zijn onderworpen aan de wet van de universele zwaartekracht en verschijnen overal, omdat alle lichamen massa hebben.

Zwaartekracht

De zwaartekracht nabij het aardoppervlak is de kracht waarmee alle lichamen door de aarde worden aangetrokken. Ze bellen haar zwaartekracht. Het wordt als constant beschouwd als de afstand van het lichaam tot het aardoppervlak klein is in vergelijking met de straal van de aarde.

Omdat de zwaartekracht, de zwaartekracht, afhangt van de massa en straal van de planeet, zal deze op verschillende planeten anders zijn. Omdat de straal van de maan kleiner is dan de straal van de aarde, is de zwaartekracht op de maan zes keer kleiner dan op aarde. Op Jupiter daarentegen is de zwaartekracht 2,4 keer groter dan de zwaartekracht op aarde. Maar het lichaamsgewicht blijft constant, waar het ook wordt gemeten.

Veel mensen verwarren de betekenis van gewicht en zwaartekracht, omdat ze geloven dat zwaartekracht altijd gelijk is aan gewicht. Maar dat is niet waar.

De kracht waarmee het lichaam op de steun drukt of de ophanging uitrekt, is gewicht. Als u de steun of ophanging verwijdert, begint het lichaam te vallen met de versnelling van de vrije val onder invloed van de zwaartekracht. De zwaartekracht is evenredig met de massa van het lichaam. Het wordt berekend met de formuleF= m G , Waar M- lichaamsgewicht, G - versnelling van de zwaartekracht.

Het lichaamsgewicht kan veranderen en soms helemaal verdwijnen. Laten we ons voorstellen dat we op de bovenste verdieping in een lift staan. De lift is de moeite waard. Op dit moment zijn ons gewicht P en de zwaartekracht F waarmee de aarde ons aantrekt gelijk. Maar zodra de lift met versnelling naar beneden begon te bewegen A , gewicht en zwaartekracht zijn niet langer gelijk. Volgens de tweede wet van Newtonmg+ P = ma. Р =m g -ma.

Uit de formule blijkt duidelijk dat ons gewicht afnam naarmate we naar beneden gingen.

Op het moment dat de lift snelheid kreeg en zonder versnelling begon te bewegen, is ons gewicht weer gelijk aan de zwaartekracht. En toen de lift begon te vertragen, de versnelling A werd negatief en het gewicht nam toe. Overbelasting treedt op.

En als het lichaam naar beneden beweegt met de versnelling van de vrije val, wordt het gewicht volledig nul.

Bij A=G R=mg-ma= mg - mg=0

Dit is een toestand van gewichtloosheid.

Dus zonder uitzondering gehoorzamen alle materiële lichamen in het heelal de wet van de universele zwaartekracht. En de planeten rond de zon, en alle lichamen die zich dichtbij het aardoppervlak bevinden.

Het belangrijkste fenomeen dat voortdurend door natuurkundigen wordt bestudeerd, is beweging. Elektromagnetische verschijnselen, wetten van de mechanica, thermodynamische en kwantumprocessen - dit alles is een breed scala aan fragmenten van het universum die door de natuurkunde worden bestudeerd. En al deze processen komen op de een of andere manier neer op één ding: op.

In contact met

Alles in het heelal beweegt. Zwaartekracht is een veel voorkomend fenomeen voor alle mensen sinds onze kindertijd; we zijn geboren in het zwaartekrachtveld van onze planeet; dit fysieke fenomeen wordt door ons op het diepste intuïtieve niveau waargenomen en het lijkt erop dat het niet eens studie vereist.

Maar helaas, de vraag is waarom en hoe trekken alle lichamen elkaar aan, blijft tot op de dag van vandaag niet volledig onthuld, hoewel het wijd en zijd is bestudeerd.

In dit artikel zullen we kijken naar wat universele aantrekkingskracht is volgens Newton - de klassieke theorie van de zwaartekracht. Voordat we echter verder gaan met formules en voorbeelden, zullen we het hebben over de essentie van het probleem van aantrekking en het een definitie geven.

Misschien is de studie van de zwaartekracht het begin geworden van de natuurfilosofie (de wetenschap van het begrijpen van de essentie van dingen), misschien heeft de natuurfilosofie aanleiding gegeven tot de vraag naar de essentie van de zwaartekracht, maar op de een of andere manier is de kwestie van de zwaartekracht van lichamen raakte geïnteresseerd in het oude Griekenland.

Beweging werd opgevat als de essentie van de zintuiglijke kenmerken van het lichaam, of beter gezegd: het lichaam bewoog terwijl de waarnemer het zag. Als we een fenomeen niet kunnen meten, wegen of voelen, betekent dit dan dat dit fenomeen niet bestaat? Dat betekent natuurlijk niet. En sinds Aristoteles dit begreep, begonnen er reflecties over de essentie van de zwaartekracht.

Zoals vandaag de dag, na vele tientallen eeuwen, blijkt, is de zwaartekracht niet alleen de basis van de zwaartekracht en de aantrekkingskracht van onze planeet, maar ook de basis van het ontstaan ​​van het heelal en vrijwel alle bestaande elementaire deeltjes.

Bewegingstaak

Laten we een gedachte-experiment uitvoeren. Laten we een kleine bal in onze linkerhand nemen. Laten we dezelfde aan de rechterkant nemen. Laten we de juiste bal loslaten en deze zal naar beneden vallen. De linker blijft in de hand, hij is nog steeds bewegingloos.

Laten we mentaal het verstrijken van de tijd stoppen. De vallende rechterbal “hangt” in de lucht, de linker blijft nog in de hand. De rechterbal is begiftigd met de “energie” van beweging, de linker niet. Maar wat is het diepe, betekenisvolle verschil tussen hen?

Waar, in welk deel van de vallende bal staat geschreven dat deze moet bewegen? Het heeft dezelfde massa, hetzelfde volume. Het heeft dezelfde atomen, en ze verschillen niet van de atomen van een bal in rust. Bal heeft? Ja, dit is het juiste antwoord, maar hoe weet de bal wat potentiële energie heeft, waar wordt deze daarin vastgelegd?

Dit is precies de taak die Aristoteles, Newton en Albert Einstein zichzelf hebben gesteld. En alle drie de briljante denkers hebben dit probleem gedeeltelijk voor zichzelf opgelost, maar vandaag zijn er een aantal problemen die een oplossing vereisen.

De zwaartekracht van Newton

In 1666 ontdekte de grootste Engelse natuurkundige en monteur I. Newton een wet die kwantitatief de kracht kan berekenen waardoor alle materie in het heelal naar elkaar neigt. Dit fenomeen wordt universele zwaartekracht genoemd. Wanneer u wordt gevraagd: “Formuleer de wet van de universele zwaartekracht”, zou uw antwoord als volgt moeten klinken:

De kracht van de zwaartekrachtinteractie die bijdraagt ​​aan de aantrekkingskracht van twee lichamen bevindt zich in directe verhouding tot de massa van deze lichamen en omgekeerd evenredig met de afstand ertussen.

Belangrijk! De wet van aantrekking van Newton gebruikt de term ‘afstand’. Deze term moet niet worden opgevat als de afstand tussen de oppervlakken van lichamen, maar als de afstand tussen hun zwaartepunten. Als bijvoorbeeld twee ballen met de stralen r1 en r2 op elkaar liggen, dan is de afstand tussen hun oppervlakken nul, maar is er wel sprake van een aantrekkingskracht. Het punt is dat de afstand tussen hun middelpunten r1+r2 verschillend is van nul. Op kosmische schaal is deze verduidelijking niet belangrijk, maar voor een satelliet in een baan om de aarde is deze afstand gelijk aan de hoogte boven het oppervlak plus de straal van onze planeet. De afstand tussen de aarde en de maan wordt ook gemeten als de afstand tussen hun middelpunten, niet als hun oppervlakken.

Voor de wet van de zwaartekracht is de formule als volgt:

,

• F – aantrekkingskracht,
• – massa's,
• r – afstand,
• G – zwaartekrachtconstante gelijk aan 6,67·10−11 m³/(kg·s²).

Wat is gewicht, als we alleen naar de zwaartekracht kijken?

Kracht is een vectorgrootheid, maar wordt in de wet van de universele zwaartekracht traditioneel geschreven als scalair. In een vectorafbeelding ziet de wet er als volgt uit:

.

Maar dit betekent niet dat de kracht omgekeerd evenredig is met de derde macht van de afstand tussen de centra. De relatie moet worden gezien als een eenheidsvector die van het ene centrum naar het andere gericht is:

.

Wet van zwaartekrachtinteractie

Gewicht en zwaartekracht

Na de wet van de zwaartekracht te hebben overwogen, kan men begrijpen dat het niet verrassend is dat wij persoonlijk we voelen dat de zwaartekracht van de zon veel zwakker is dan die van de aarde. Hoewel de massieve zon een grote massa heeft, staat hij erg ver van ons vandaan. bevindt zich ook ver van de zon, maar wordt er wel door aangetrokken omdat het een grote massa heeft. Hoe je de zwaartekracht van twee lichamen kunt vinden, namelijk hoe je de zwaartekracht van de zon, de aarde en jij en ik kunt berekenen - we zullen dit probleem iets later behandelen.

Voor zover wij weten is de zwaartekracht:

waarbij m onze massa is, en g de versnelling van de vrije val van de aarde (9,81 m/s 2).

Belangrijk! Er zijn geen twee, drie, tien soorten aantrekkingskrachten. Zwaartekracht is de enige kracht die een kwantitatief kenmerk van aantrekking geeft. Gewicht (P = mg) en zwaartekracht zijn hetzelfde.

Als m onze massa is, M de massa van de bol, R de straal is, dan is de zwaartekracht die op ons inwerkt gelijk aan:

Dus aangezien F = mg:

.

De massa's m worden verminderd, en de uitdrukking voor de versnelling van de vrije val blijft:

Zoals we kunnen zien, is de versnelling van de zwaartekracht werkelijk een constante waarde, omdat de formule constante grootheden omvat: de straal, de massa van de aarde en de zwaartekrachtconstante. Door de waarden van deze constanten te vervangen, zullen we ervoor zorgen dat de versnelling van de zwaartekracht gelijk is aan 9,81 m/s 2.

Op verschillende breedtegraden is de straal van de planeet iets anders, omdat de aarde nog steeds geen perfecte bol is. Hierdoor is de versnelling van de vrije val op individuele punten op de aardbol anders.

Laten we terugkeren naar de aantrekkingskracht van de aarde en de zon. Laten we met een voorbeeld proberen te bewijzen dat de aardbol jou en mij sterker aantrekt dan de zon.

Laten we voor het gemak de massa van een persoon nemen: m = 100 kg. Dan:

• De afstand tussen een persoon en de aardbol is gelijk aan de straal van de planeet: R = 6,4∙10 6 m.
• De massa van de aarde is: M ≈ 6∙10 24 kg.
• De massa van de zon is: Mc ≈ 2∙10 30 kg.
• Afstand tussen onze planeet en de zon (tussen de zon en de mens): r=15∙10 10 m.

Zwaartekracht tussen mens en aarde:

Dit resultaat blijkt duidelijk uit de eenvoudigere uitdrukking voor gewicht (P = mg).

De kracht van de zwaartekracht tussen de mens en de zon:

Zoals we kunnen zien, trekt onze planeet ons bijna 2000 keer sterker aan.

Hoe vind je de aantrekkingskracht tussen de aarde en de zon? Op de volgende manier:

Nu zien we dat de zon onze planeet meer dan een miljard miljard keer sterker aantrekt dan de planeet jou en mij aantrekt.

Eerste ontsnappingssnelheid

Nadat Isaac Newton de wet van de universele zwaartekracht had ontdekt, raakte hij geïnteresseerd in hoe snel een lichaam moet worden geworpen zodat het, nadat het het zwaartekrachtveld heeft overwonnen, de aardbol voor altijd verlaat.

Toegegeven, hij stelde het zich een beetje anders voor, volgens hem was het geen verticaal staande raket gericht op de lucht, maar een lichaam dat horizontaal een sprong maakte vanaf de top van een berg. Dit was een logische illustratie omdat Op de top van de berg is de zwaartekracht iets minder.

Op de top van de Everest zal de versnelling van de zwaartekracht dus niet de gebruikelijke 9,8 m/s 2 zijn, maar bijna m/s 2 . Het is om deze reden dat de lucht daar zo dun is, dat de luchtdeeltjes niet langer zo gebonden zijn aan de zwaartekracht als de luchtdeeltjes die naar de oppervlakte ‘vielen’.

Laten we proberen erachter te komen wat de ontsnappingssnelheid is.

De eerste ontsnappingssnelheid v1 is de snelheid waarmee het lichaam het aardoppervlak (of een andere planeet) verlaat en in een cirkelvormige baan terechtkomt.

Laten we proberen de numerieke waarde van deze waarde voor onze planeet te achterhalen.

Laten we de tweede wet van Newton opschrijven voor een lichaam dat in een cirkelvormige baan rond een planeet draait:

,

waarbij h de hoogte van het lichaam boven het oppervlak is, is R de straal van de aarde.

In een baan om de aarde is een lichaam onderhevig aan centrifugale versnelling, dus:

.

De massa's worden verminderd, we krijgen:

,

Deze snelheid wordt de eerste ontsnappingssnelheid genoemd:

Zoals je kunt zien, is de ontsnappingssnelheid absoluut onafhankelijk van de lichaamsmassa. Elk object dat wordt versneld tot een snelheid van 7,9 km/s zal dus onze planeet verlaten en in zijn baan komen.

Eerste ontsnappingssnelheid

Tweede ontsnappingssnelheid

Maar zelfs als we het lichaam tot de eerste ontsnappingssnelheid hebben versneld, zullen we de zwaartekrachtverbinding met de aarde niet volledig kunnen verbreken. Daarom hebben we een tweede ontsnappingssnelheid nodig. Wanneer deze snelheid wordt bereikt, wordt het lichaam bereikt verlaat het zwaartekrachtveld van de planeet en alle mogelijke gesloten banen.

Belangrijk! Er wordt vaak ten onrechte aangenomen dat astronauten, om de maan te bereiken, de tweede ontsnappingssnelheid moesten bereiken, omdat ze zich eerst moesten ‘loskoppelen’ van het zwaartekrachtveld van de planeet. Dit is niet zo: het aarde-maanpaar bevindt zich in het zwaartekrachtveld van de aarde. Hun gemeenschappelijke zwaartepunt ligt binnen de aardbol.

Om deze snelheid te vinden, moeten we het probleem een ​​beetje anders stellen. Laten we zeggen dat een lichaam van het oneindige naar een planeet vliegt. Vraag: welke snelheid wordt bij de landing aan de oppervlakte bereikt (uiteraard zonder rekening te houden met de atmosfeer)? Dit is precies de snelheid het lichaam zal de planeet moeten verlaten.

De wet van universele zwaartekracht. Natuurkunde 9e leerjaar

Wet van universele zwaartekracht.

Conclusie

We hebben geleerd dat hoewel de zwaartekracht de belangrijkste kracht in het heelal is, veel van de redenen voor dit fenomeen nog steeds een mysterie blijven. We hebben geleerd wat de universele zwaartekracht van Newton is, we hebben geleerd deze voor verschillende lichamen te berekenen, en we hebben ook enkele nuttige gevolgen bestudeerd die voortvloeien uit een fenomeen als de universele wet van de zwaartekracht.

Sinds de oudheid heeft de mensheid nagedacht over hoe de wereld om ons heen werkt. Waarom groeit gras, waarom schijnt de zon, waarom kunnen we niet vliegen... Dat laatste is trouwens altijd van bijzonder belang geweest voor mensen. Nu weten we dat de zwaartekracht de reden is voor alles. Wat het is en waarom dit fenomeen zo belangrijk is op de schaal van het heelal, zullen we vandaag bekijken.

Inleidend deel

Wetenschappers hebben ontdekt dat alle massieve lichamen een wederzijdse aantrekkingskracht tot elkaar ervaren. Vervolgens bleek dat deze mysterieuze kracht ook de beweging van hemellichamen in hun constante banen bepaalt. De theorie van de zwaartekracht werd geformuleerd door een genie wiens hypothesen de ontwikkeling van de natuurkunde voor vele eeuwen vooraf bepaalden. Albert Einstein, een van de grootste geesten van de vorige eeuw, ontwikkelde en zette deze leer voort (zij het in een heel andere richting).

Eeuwenlang hebben wetenschappers de zwaartekracht waargenomen en geprobeerd deze te begrijpen en te meten. Ten slotte is de afgelopen decennia zelfs een fenomeen als de zwaartekracht ten dienste van de mensheid gesteld (in zekere zin natuurlijk). Wat is het, wat is de definitie van de term in kwestie in de moderne wetenschap?

Wetenschappelijke definitie

Als je de werken van oude denkers bestudeert, kun je ontdekken dat het Latijnse woord 'gravitas' 'zwaartekracht', 'aantrekking' betekent. Tegenwoordig noemen wetenschappers dit de universele en constante interactie tussen materiële lichamen. Als deze kracht relatief zwak is en alleen inwerkt op objecten die veel langzamer bewegen, dan is de theorie van Newton daarop van toepassing. Als de situatie andersom is, moeten de conclusies van Einstein worden gebruikt.

Laten we meteen een voorbehoud maken: op dit moment wordt de aard van de zwaartekracht in principe niet volledig begrepen. We begrijpen nog steeds niet helemaal wat het is.

Theorieën van Newton en Einstein

Volgens de klassieke leer van Isaac Newton trekken alle lichamen elkaar aan met een kracht die recht evenredig is met hun massa, en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand die ertussen ligt. Einstein betoogde dat de zwaartekracht tussen objecten zich manifesteert in het geval van kromming van ruimte en tijd (en de kromming van de ruimte is alleen mogelijk als er materie in zit).

Dit idee zat heel diep, maar modern onderzoek bewijst dat het enigszins onnauwkeurig is. Tegenwoordig wordt aangenomen dat de zwaartekracht in de ruimte de ruimte alleen maar buigt: de tijd kan worden vertraagd en zelfs gestopt, maar de realiteit van het veranderen van de vorm van tijdelijke materie is niet theoretisch bevestigd. Daarom voorziet de klassieke vergelijking van Einstein niet eens in de kans dat de ruimte de materie en het resulterende magnetische veld zal blijven beïnvloeden.

Het meest bekend is de wet van de zwaartekracht (universele zwaartekracht), waarvan de wiskundige uitdrukking toebehoort aan Newton:

\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ verwijst naar de zwaartekrachtconstante (soms wordt het symbool G gebruikt), waarvan de waarde 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²) is.

Interactie tussen elementaire deeltjes

De ongelooflijke complexiteit van de ruimte om ons heen is grotendeels te danken aan het oneindige aantal elementaire deeltjes. Er zijn ook verschillende interacties tussen hen op niveaus waar we alleen maar naar kunnen raden. Alle soorten interactie tussen elementaire deeltjes verschillen echter aanzienlijk in hun sterkte.

De krachtigste krachten die we kennen, verbinden de componenten van de atoomkern met elkaar. Om ze te scheiden, moet je werkelijk een enorme hoeveelheid energie besteden. Wat elektronen betreft, ze worden alleen door gewone elektronen aan de kern 'gehecht'. Om dit te stoppen, is soms de energie die verschijnt als resultaat van de meest gewone chemische reactie voldoende. Zwaartekracht (je weet al wat het is) in de vorm van atomen en subatomaire deeltjes is het gemakkelijkste type interactie.

Het zwaartekrachtveld is in dit geval zo zwak dat het moeilijk voor te stellen is. Vreemd genoeg zijn zij het die de beweging van hemellichamen ‘monitoren’, waarvan de massa soms onmogelijk voor te stellen is. Dit alles is mogelijk dankzij twee kenmerken van de zwaartekracht, die vooral uitgesproken zijn in het geval van grote fysieke lichamen:

• In tegenstelling tot atomaire atomen is het meer merkbaar op een afstand van het object. De zwaartekracht van de aarde houdt dus zelfs de maan in haar veld, en een soortgelijke kracht van Jupiter ondersteunt gemakkelijk de banen van meerdere satellieten tegelijk, waarvan de massa vrij vergelijkbaar is met die van de aarde!
• Bovendien zorgt het altijd voor aantrekkingskracht tussen objecten, en met de afstand verzwakt deze kracht met een kleine snelheid.

De vorming van een min of meer samenhangende zwaartekrachttheorie vond relatief recent plaats, en precies gebaseerd op de resultaten van eeuwenoude observaties van de beweging van planeten en andere hemellichamen. De taak werd enorm vergemakkelijkt door het feit dat ze allemaal in een vacuüm bewegen, waar er simpelweg geen andere waarschijnlijke interacties zijn. Galileo en Kepler, twee vooraanstaande astronomen uit die tijd, hielpen met hun meest waardevolle waarnemingen de weg vrij te maken voor nieuwe ontdekkingen.

Maar alleen de grote Isaac Newton was in staat de eerste theorie van de zwaartekracht te creëren en deze wiskundig uit te drukken. Dit was de eerste wet van de zwaartekracht, waarvan de wiskundige weergave hierboven wordt weergegeven.

Conclusies van Newton en enkele van zijn voorgangers

In tegenstelling tot andere fysieke verschijnselen die in de wereld om ons heen bestaan, manifesteert de zwaartekracht zich altijd en overal. Je moet begrijpen dat de term ‘nul zwaartekracht’, die vaak in pseudo-wetenschappelijke kringen voorkomt, uiterst onjuist is: zelfs gewichtloosheid in de ruimte betekent niet dat een persoon of een ruimteschip niet wordt beïnvloed door de zwaartekracht van een enorm object.

Bovendien hebben alle materiële lichamen een bepaalde massa, uitgedrukt in de vorm van de kracht die erop werd uitgeoefend en de versnelling die door deze invloed werd verkregen.

Zwaartekrachtkrachten zijn dus evenredig met de massa van objecten. Ze kunnen numeriek worden uitgedrukt door het product te verkrijgen van de massa's van beide onderzochte lichamen. Deze kracht volgt strikt de omgekeerde relatie tot het kwadraat van de afstand tussen objecten. Alle andere interacties zijn totaal anders afhankelijk van de afstanden tussen twee lichamen.

Massa als hoeksteen van de theorie

De massa van objecten is een speciaal twistpunt geworden waarrond Einsteins hele moderne theorie van zwaartekracht en relativiteit is gebouwd. Als je je het tweede herinnert, weet je waarschijnlijk dat massa een verplicht kenmerk is van elk fysiek materieel lichaam. Het laat zien hoe een object zich zal gedragen als er kracht op wordt uitgeoefend, ongeacht de oorsprong ervan.

Omdat alle lichamen (volgens Newton) versnellen wanneer ze worden blootgesteld aan een externe kracht, is het de massa die bepaalt hoe groot deze versnelling zal zijn. Laten we eens kijken naar een begrijpelijker voorbeeld. Stel je een scooter en een bus voor: als je er precies dezelfde kracht op uitoefent, bereiken ze op verschillende tijdstippen verschillende snelheden. De zwaartekrachttheorie verklaart dit allemaal.

Wat is de relatie tussen massa en zwaartekracht?

Als we het over zwaartekracht hebben, speelt massa in dit fenomeen een rol die volledig tegengesteld is aan de rol die het speelt in relatie tot de kracht en versnelling van een object. Zij is het die zelf de belangrijkste bron van aantrekkingskracht is. Als je twee lichamen neemt en kijkt naar de kracht waarmee ze een derde object aantrekken, dat zich op gelijke afstanden van de eerste twee bevindt, dan zal de verhouding van alle krachten gelijk zijn aan de verhouding van de massa's van de eerste twee objecten. De zwaartekracht is dus recht evenredig met de massa van het lichaam.

Als we de derde wet van Newton beschouwen, kunnen we zien dat deze precies hetzelfde zegt. De zwaartekracht, die inwerkt op twee lichamen die zich op gelijke afstand van de aantrekkingsbron bevinden, hangt rechtstreeks af van de massa van deze objecten. In het dagelijks leven praten we over de kracht waarmee een lichaam naar het oppervlak van de planeet wordt aangetrokken als zijn gewicht.

Laten we enkele resultaten samenvatten. Massa hangt dus nauw samen met versnelling. Tegelijkertijd is zij het die de kracht bepaalt waarmee de zwaartekracht op het lichaam zal inwerken.

Kenmerken van versnelling van lichamen in een zwaartekrachtveld

Deze verbazingwekkende dualiteit is de reden dat in hetzelfde zwaartekrachtveld de versnelling van totaal verschillende objecten gelijk zal zijn. Laten we aannemen dat we twee lichamen hebben. Laten we aan één van hen massa Z toekennen, en aan de andere massa Z. Beide objecten vallen op de grond, waar ze vrij kunnen vallen.

Hoe wordt de verhouding tussen aantrekkingskrachten bepaald? Dit wordt aangetoond door de eenvoudigste wiskundige formule - z/Z. Maar de versnelling die ze ontvangen als gevolg van de zwaartekracht zal absoluut hetzelfde zijn. Simpel gezegd: de versnelling die een lichaam in een zwaartekrachtveld heeft, is op geen enkele manier afhankelijk van zijn eigenschappen.

Waar hangt de versnelling van af in het beschreven geval?

Het hangt alleen (!) af van de massa objecten die dit veld creëren, en van hun ruimtelijke positie. De dubbele rol van massa en gelijke versnelling van verschillende lichamen in een zwaartekrachtveld is al relatief lang ontdekt. Deze verschijnselen kregen de volgende naam: ‘Het gelijkwaardigheidsprincipe’. Deze term benadrukt nogmaals dat versnelling en traagheid vaak gelijkwaardig zijn (tot op zekere hoogte uiteraard).

Over het belang van de G-waarde

Uit de natuurkundecursus op school herinneren we ons dat de versnelling van de zwaartekracht op het oppervlak van onze planeet (de zwaartekracht van de aarde) gelijk is aan 10 m/sec.² (9,8 natuurlijk, maar deze waarde wordt gebruikt voor de eenvoud van berekeningen). Als u dus geen rekening houdt met de luchtweerstand (op aanzienlijke hoogte met een korte valafstand), krijgt u het effect wanneer het lichaam een ​​versnellingstoename van 10 m/sec verkrijgt. elke seconde. Een boek dat van de tweede verdieping van een huis valt, zal dus aan het einde van zijn vlucht met een snelheid van 30-40 m/sec bewegen. Simpel gezegd is 10 m/s de “snelheid” van de zwaartekracht binnen de aarde.

De versnelling van de zwaartekracht wordt in de natuurkundige literatuur aangegeven met de letter “g”. Omdat de vorm van de aarde tot op zekere hoogte meer doet denken aan een mandarijn dan aan een bol, is de waarde van deze grootheid niet in al haar gebieden hetzelfde. De versnelling is dus hoger aan de polen, en op de toppen van hoge bergen wordt deze minder.

Zelfs in de mijnbouw speelt de zwaartekracht een belangrijke rol. De fysica van dit fenomeen kan soms veel tijd besparen. Geologen zijn dus vooral geïnteresseerd in de perfect nauwkeurige bepaling van g, omdat ze hierdoor minerale afzettingen met uitzonderlijke nauwkeurigheid kunnen onderzoeken en lokaliseren. Hoe ziet de zwaartekrachtformule er trouwens uit, waarbij de door ons overwogen hoeveelheid een belangrijke rol speelt? Hier is ze:

Opmerking! In dit geval betekent de zwaartekrachtformule met G de “zwaartekrachtconstante”, waarvan we de betekenis hierboven al hebben gegeven.

Ooit formuleerde Newton de bovengenoemde principes. Hij begreep zowel eenheid als universaliteit perfect, maar hij kon niet alle aspecten van dit fenomeen beschrijven. Deze eer viel Albert Einstein toe, die ook het gelijkwaardigheidsprincipe wist uit te leggen. Het is aan hem dat de mensheid het moderne begrip van de aard van het ruimte-tijd continuüm te danken heeft.

Relativiteitstheorie, werken van Albert Einstein

In de tijd van Isaac Newton geloofde men dat referentiepunten kunnen worden weergegeven in de vorm van een soort stijve "staven", met behulp waarvan de positie van een lichaam in een ruimtelijk coördinatensysteem wordt vastgesteld. Tegelijkertijd werd aangenomen dat alle waarnemers die deze coördinaten markeren zich in dezelfde tijdruimte zullen bevinden. In die jaren werd deze bepaling zo vanzelfsprekend geacht dat er geen pogingen werden ondernomen om deze aan te vechten of aan te vullen. En dit is begrijpelijk, want binnen de grenzen van onze planeet zijn er geen afwijkingen in deze regel.

Einstein bewees dat de nauwkeurigheid van de meting er echt toe zou doen als een hypothetische klok aanzienlijk langzamer zou bewegen dan de lichtsnelheid. Simpel gezegd: als een waarnemer, die langzamer beweegt dan de snelheid van het licht, twee gebeurtenissen volgt, zullen ze voor hem tegelijkertijd plaatsvinden. Dienovereenkomstig, voor de tweede waarnemer? waarvan de snelheid hetzelfde of groter is, kunnen gebeurtenissen op verschillende tijdstippen plaatsvinden.

Maar hoe verhoudt de zwaartekracht zich tot de relativiteitstheorie? Laten we deze vraag in detail bekijken.

Het verband tussen de relativiteitstheorie en zwaartekrachten

De afgelopen jaren zijn er een groot aantal ontdekkingen gedaan op het gebied van subatomaire deeltjes. De overtuiging wordt steeds sterker dat we op het punt staan ​​het laatste deeltje te vinden, waarbuiten onze wereld niet kan fragmenteren. Des te urgenter wordt de noodzaak om precies uit te vinden hoe de kleinste ‘bouwstenen’ van ons universum worden beïnvloed door de fundamentele krachten die in de vorige eeuw of zelfs eerder zijn ontdekt. Het is vooral teleurstellend dat de aard van de zwaartekracht nog niet is verklaard.

Dat is de reden waarom onderzoekers zich, na Einstein, die de ‘incompetentie’ van de klassieke mechanica van Newton op het beschouwde gebied vaststelde, concentreerden op een volledige heroverweging van de eerder verkregen gegevens. De zwaartekracht zelf heeft een grote herziening ondergaan. Wat is het op subatomair deeltjesniveau? Heeft het enige betekenis in deze verbazingwekkende multidimensionale wereld?

Een eenvoudige oplossing?

Aanvankelijk gingen velen ervan uit dat de discrepantie tussen de zwaartekracht van Newton en de relativiteitstheorie heel eenvoudig verklaard kon worden door analogieën uit de elektrodynamica te trekken. Je zou kunnen aannemen dat het zwaartekrachtveld zich voortplant als een magnetisch veld, waarna het tot een ‘bemiddelaar’ in de interacties van hemellichamen kan worden verklaard, wat veel van de inconsistenties tussen de oude en nieuwe theorieën verklaart. Feit is dat de relatieve voortplantingssnelheden van de betreffende krachten dan aanzienlijk lager zouden zijn dan de lichtsnelheid. Dus hoe zijn zwaartekracht en tijd gerelateerd?

In principe slaagde Einstein er zelf bijna in een relativistische theorie te construeren die op precies zulke opvattingen was gebaseerd, maar slechts één omstandigheid verhinderde zijn bedoeling. Geen van de wetenschappers uit die tijd beschikte over enige informatie die kon helpen bij het bepalen van de ‘snelheid’ van de zwaartekracht. Maar er was veel informatie over de bewegingen van grote massa's. Zoals bekend waren zij juist de algemeen aanvaarde bron van het ontstaan ​​van krachtige zwaartekrachtvelden.

Hoge snelheden hebben een grote invloed op de massa van lichamen, en dit is op geen enkele manier vergelijkbaar met de interactie tussen snelheid en lading. Hoe hoger de snelheid, hoe groter de lichaamsmassa. Het probleem is dat deze laatste waarde automatisch oneindig zou worden als hij met de snelheid van het licht of sneller zou bewegen. Daarom concludeerde Einstein dat er geen zwaartekrachtveld is, maar een tensorveld, om te beschrijven welke veel meer variabelen er gebruikt moeten worden.

Zijn volgelingen kwamen tot de conclusie dat zwaartekracht en tijd vrijwel niets met elkaar te maken hebben. Feit is dat dit tensorveld zelf op de ruimte kan inwerken, maar de tijd niet kan beïnvloeden. De briljante moderne natuurkundige Stephen Hawking heeft echter een ander standpunt. Maar dat is een heel ander verhaal...