Закон всемирного тяготения Исаака Ньютона и гравитация

Как был открыт закон всемирного тяготения и почему Луна не падает на Землю.

Во вселенной существует всего одна сила, действие которой по-истине глобально и распространяется на все предметы – от мелких песчинок, до гигантских звезд. Это сила тяготения, сила гравитации.

Все знают историю про Исаака Ньютона и яблоко. Однако не все знают, что он пошел дальше и разобрался с Луной!

Закон всемирного тяготения был впервые сформулирован Исааком Ньютоном в 1666 году. Началось все с простого вопроса – почему Луна не падает на Землю (или не улетает от неё), в то время как яблоко, как высоко его не подбрасывай, в воздухе не зависнет. При этом, вполне очевидно, что Луна – штука гораздо более тяжелая, чем яблоко.

Ньютон провел довольно остроумный опыт. Нам известно, что на поверхности Земли, ускорение свободно падающего тела равно 9,81 м/с²

При этом, учитывая, что наша планета имеет форму шара, ускорение 9,81 м/с² получается за 1 земной радиус (расстояние от центра планеты до поверхности).

Если же рассчитать, зная расстояние до Луны и период её обращения вокруг Земли, её ускорение, то мы получим значение меньше “яблочного” в 60² раз. Но ведь и Луна, находится от центра Земли в 60 раз дальше…

Наглядная иллюстрация разности ускорения.

“Совпадение” с цифрами показались Ньютону не случайными. Он предположил, что сила притяжения тела (в данном случае нашей планеты) не остается постоянной на удалении от него, а меняется обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли. Короче говоря: чем больше расстояние – тем меньше сила притяжения.

Это предположение означало, что силу, которая удерживает Луну на ее орбите, можно рассматривать как силу притяжения Земли, ослабленную пропорционально отношению квадратов расстояний от центра Земли до Луны и от центра Земли до поверхности Земли.

Это, в свою очередь, позволило сформулировать и сам закон тяготения Ньютона: любые две частицы материи взаимно притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Математически закон записывается так:

Коэффициент G называется постоянной тяготения или гравитационной постоянной, её значение вычислено достаточно точно и составляет: 6,67⋅10⁻¹¹ м³/(кг·с²).

Тут может возникнуть вполне резонный вопрос: если гравитация есть у любого предмета, почему, к примеру, не притягиваются друг к другу камни, гайки, люди…. да даже металлические шарики, положи их рядом – не катятся друг к другу на встречу?

Ответ, конечно прост: вы посмотрите на значение гравитационной постоянной и вам станет очевидно, что сама по себе её величина ну очень мала. Настолько мала, что даже для таких крупных предметов как здания или горы её практически невозможно обнаружить и измерить – куда там людям или шарикам.

Другое дело – небесные тела вроде планет, звезд, галактик и т.п. Они обладают гигантскими массами, по порядку величины многократно превышающими численное значение G. Поэтому оказывается, что, несмотря на свою слабость, именно сила тяготения является главной, ведущей, управляющей движениями всех небесных тел. Именно закон тяготения описывает траектории движений планет и их спутников, а также звезд и даже звездных скоплений.

Наглядная схема разности гравитационных сил Земли и Луны. Наша планета изрядно «проминает» ткань пространства и не дает Луне убежать. Однако, чтобы совсем притянуть её к себе, сил не хватает. И слава богу!

Поскольку оказалось, что закон работает на огромных расстояниях от Земли, а значит, работал и миллиарды лет тому назад, закон тяготения принято называть законом всемирного тяготения, подчеркивая его всеобщность и фундаментальность в нашей Вселенной.

Считаю важным добавить: некоторые космологические модели предусматривают возможность медленного изменения гравитационной постоянной со временем, но на сегодняшний день экспериментально такое изменение достоверно не обнаружено, что позволяет считать G константой.

Открытие Исаака Ньютона позволило не только объяснить множественные “странности” в поведении массивных небесных тел: особенности в движении Луны, явление прецессии, приливы, сжатие газовых гигантов у полюсов, движения в системах двойных звезд, но также помогло «взвесить» Землю и другие планеты и даже предсказывать будущие открытия. Так, например, ещё в 1798 г. Пьер Лаплас фактически обосновал то явление, что мы сейчас называем “черной дырой”, рассчитав, что если некая звезда достигнет невероятной массы и плотности вещества, то её излучение не сможет уйти от неё и этот объект просто “исчезнет” для стороннего наблюдателя.