Исследовательская работа "Гравитационные явления"

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

по физике

                    на тему: «Гравитационные явления»

Работу выполнил: ученик 8 «А» класса

Бункус Алексея

Работу принял: учитель физики

                        Романова О.В.

Введение

Цель:

       Рассмотреть гравитационные явления.

Актуальность:  

       Объяснить одно из гравитационных явлений.

Практическая значимость:

       Тяготение очень тесно связано с фундаментальным свойством вещества — инерцией — оно управляет законами эволюции Вселенной.

Область применения:

       Гравитация очень широко применяется в небесной механике, в полевой физике, в медицине, в системах отопления, в космологии.

Теоретическое обоснование проблемы

    Материалы, образующие атмосферу, так же, как и тела на земной поверхности, подвержены силе земного притяжения. Несмотря на то, что атмосферные газы лёгкие и находятся на большом расстоянии от Земли, сила земного притяжения, воздействующая на них, достаточна, чтобы удержать их в атмосфере.

        Сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. Прямо сейчас на вас действует сила земного притяжения, рассчитываемая по вышеприведенной формуле, и вы ее реально ощущаете как свой вес. Если вы что-нибудь уроните, оно под действием всё той же силы равноускоренно устремится к земле. Галилею первому удалось экспериментально измерить приблизительную величину ускорения свободного падения вблизи поверхности Земли.

На  склоне своих дней Исаак Ньютон рассказал, как это произошло: он гулял по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел луну в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения (см. Законы механики Ньютона), он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос.

      Ньютон предположил, что все без исключения тела во Вселенной заставляет притягиваться друг к другу одна единая по природе сила. Он поставил целью открыть закон, по которому действует эта сила всемирного тяготения. Сделать было не просто, поскольку очень многое  было ещё неизвестно науке того времени. Установив, что все тела приобретают на поверхности земли одно и тоже ускорение, Ньютон не мог знать о том, что это ускорение меняется при удалении от поверхности Земли (тогда подобные эксперименты не могли быть проведены). Он не знал так же, что различные предметы на Земле тоже притягиваются друг к другу (эксперименты, доказывающие это, были выполнены более чем через 100 лет). Однако Ньютону были известны имперически выведенные в начале 17-го века   немецким астрономом И.Кеплером законы движения планет, из которых следовал вывод, что сила тяготения должна зависеть от расстояния между телами. Открытый Ньютоном закон всемирного тяготения гласит, что две любые материальные частицы с разными массами притягиваются по направлению друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. На основе закона всемирного тяготения Ньютон дал математический вывод известных законов И.Кеплера о движении планет, объяснил природу морских приливов и многие другие явления. Ньютон настолько опередил свой век, что многие высказанные им предположения находят научное объяснение лишь в наше время. Наука продолжает исследования науки тяготения. Установлено, что тяготение- самое универсальное и наислабейшее из фундаментальных взаимодействий. Закон всемирного тяготения управляет движением галактик так же как искусственных спутников. Известно, что свет теряет или приобретает энергию, пролетая через гравитационное поле (поле тяготения), и что свет искривляет свой путь в гравитационном поле.  

Картину устройства солнечной системы, вытекающую из этих уравнений и объединяющую земную и небесную гравитацию, можно понять на простом примере. Предположим, вы стоите у края отвесной скалы, рядом с вами пушка и горка пушечных ядер. Если просто сбросить ядро с края обрыва по вертикали, оно начнет падать вниз отвесно и равноускоренно. Его движение будет описываться законами Ньютона для равноускоренного движения тела с ускорением g. Если теперь выпустить ядро из пушки в направлении горизонта, оно полетит - и будет падать по дуге. И в этом случае его движение будет описываться законами Ньютона, только теперь они применяются к телу, движущемуся под воздействием силы тяжести и обладающему некой начальной скоростью в горизонтальной плоскости. Теперь, раз за разом заряжая в пушку всё более тяжелое ядро и стреляя, вы обнаружите, что, поскольку каждое следующее ядро вылетает из ствола с большей начальной скоростью, ядра падают всё дальше и дальше от подножия скалы.
      Теперь представьте, что вы забили в пушку столько пороха, что скорости ядра хватает, чтобы облететь вокруг земного шара. Если пренебречь сопротивлением воздуха, ядро, облетев вокруг Земли, вернется в исходную точку точно с той же скоростью, с какой оно изначально вылетело из пушки. Что будет дальше, понятно: ядро на этом не остановится и будет и продолжать наматывать круг за кругом вокруг планеты. Иными словами, мы получим искусственный спутник, обращающийся вокруг Земли по орбите, подобно естественному спутнику - Луне. Так мы поэтапно перешли от описания движения тела, падающего исключительно под воздействием земной гравитации (ньютоновского яблока), к описанию движения спутника (Луны) по орбите, не изменяя при этом природы гравитационного воздействия с земной на небесную. Вот это-то прозрение и позволило Ньютону связать воедино считавшиеся до него различными по своей природе две силы    гравитационного притяжения.

Остается последний вопрос: правду ли рассказывал на склоне своих дней Ньютон? Действительно ли всё произошло именно так? Никаких документальных свидетельств того, что Ньютон действительно занимался проблемой гравитации в тот период, к которому он сам относит свое открытие, сегодня нет, но документам свойственно теряться. С другой стороны, общеизвестно, что Ньютон был человеком малоприятным и крайне дотошным во всем, что касалось закрепления за ним приоритетов в науке, и это было бы очень в его характере - затемнить истину, если он вдруг почувствовал, что его научному приоритету хоть что-то угрожает. Датируя это открытие 1666-м годом, в то время как реально ученый сформулировал, записал и опубликовал этот закон лишь в 1687 году, Ньютон, с точки зрения приоритета, выгадал для себя преимущество больше чем в два десятка лет.

В ньютоновской гравитационной теории гравитация фактически полностью ассоциирована с силой тяжести или силой веса. Сущность гравитации по Ньютону в том, что к телу приложена сила -  сила тяжести (в условиях Земли она обычно называется силой веса). Источник этой силы -  другое или другие тела. Никакого гравитационного поля, фактически, нет. Гравитация есть прямое взаимодействие между телами. Это взаимодействие определяется Законом Всемирного Тяготения Ньютона. Никакого особого гравитационного пространства не существует. Гравитационное поле носит условный характер и служит лишь для удобства расчетов, никакой физики за этим понятием нет.

Современный мир далеко вышел за рамки круга явлений, в которых сформировались ньютоновские гравитационные представления. Уже в начале прошлого века Альберт Эйнштейн обратил внимание на то, что даже явление в обычном лифте плохо согласуются с представлениями Ньютона. Это, а также релятивистский пунктик привели его к новому пониманию гравитации, отраженному в так называемой Общей теории относительности.

         Сейчас общепринято, что Общая теория относительности есть гравитационная теория космологических масштабов и релятивистских движений. Но в масштабах макро- и мезомира, т.е. в области земной, планетарной (небесной) механики и космонавтики, ОТО не имеет смысла использовать и ничего нового эта теория дать не может. А если и дает, то только поправки в каких-то уж очень высоких приближениях. Поэтому мы остановимся на более детальном рассмотрении ньютоновских гравитационных представлений.

       Одно из главных явлений, которое оказалось в центре рассмотрения механики в последние десятилетия, стало явление невесомости. Конечно, явление невесомости встречалось и ранее. Но было оно кратковременным и не осознавалось как некое особое механическое явление. Падает камень с Пизанской башни, ну и падает. Какая тут невесомость. Но развитие космонавтики вывело явление невесомости на первый план, была осознана его высокая значимость. Невесомость постепенно входит в разряд производственных и технологических факторов.

       Состояние невесомости наблюдается в самолётах или космических кораблях при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения модуля скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении  реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нём, движутся с одинаковым ускорением; поэтому в корабле наблюдается явление невесомости.

Практическая часть

         Рассмотрим одно из явлений гравитации — Невесомость.

    Невесомость - состояние материального тела, при котором действующие на него внешние силы или совершаемое им движение не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга.

      Невесомость в современной механике вообще не имеет сколько-нибудь корректного описания. Ощущение такое, что для теоретической механики  это непонятное явление, ворвавшееся в сферу реальной механической практики, но для которой места в теории нет.

   Но если есть «невесомость», то должна быть и «весомость».Таково требования научной логики, законов построения языков науки.

     Соответственно «весомость» есть характеристика механического состояния тела. А невесомость есть особый, частный случай весомого состояния,  с отсутствующей весомостью. Остается дать характеристику понятию весомость. Мы принимаем, что в новом языке механики весомость есть фундаментальное, неопределяемое в самом языке понятие, заменяющее понятие силы в ньютоновском языке. Весомость есть вектор, приложенный к самому телу и перемещающийся вместе с телом.

        Весомика

           Новая механика инициирует создание новой механической дисциплины -  весомики. Это наука о механическом состоянии. Она найдет свое применение в самых различных прикладных науках и техниках. Это космическая, авиационная и морская медицина, биофизика, ветеринария, прочностные науки, спортивная медицина, механика спортивных дисциплин, механика и конструирование машин, аппаратов и парковых аттракционов и т.п. И прежде всего она даст всем этим наукам и техникам единую научною терминологию вместо каких-то странных «перегрузок», «недогрузок» и т.п.  В новой механике весомика призвана занять такое же место, как статика в ньютоновской механике.

    Итак, мы определили основные понятия нового механического языка. Если механический объект рассматривается как элементарный, неделимый, то он характеризуется единым вектором весомости, как и единой силой. Если же мы имеем составной механический объект, называемый телом, то имеем распределение весомости на теле. Это распределение может быть плоским, т.е. все части тела имеют одинаковую весомость. Но может быть и сложным, если тело совершает собственные движения, например, вращения.  

         Гравитация является одним из самых загадочных физических явлений. Ни о каком ином явлении не высказано, не написано, не защищено диссертаций, не присвоено академических званий и Нобелевских премий, как по гравитации.

        Любые представления исторически обусловлены. Время меняет задачи, стоящие перед обществом, а это заставляет, как правило, менять и представления о тех или иных явлениях. Не является исключением и явление гравитации. Не могут не отличаться представление о гравитации у строителей египетских пирамид и у путешественников по космическому пространству.

Заключение:

       Итак, мы ознакомились с одним из гравитационных явлений — невесомостью. В ходе изучения невесомости она подразделялась на ещё два явления — весомику и весомость.                                            

        Закон всемирного тяготения объясняет механическое устройство Солнечной системы, и законы Кеплера, описывающие траектории движения планет, могут быть выведены из него. Для Кеплера его законы носили чисто описательный характер - ученый просто обобщил свои наблюдения в математической форме, не подведя под формулы никаких теоретических оснований. В великой же системе мироустройства по Ньютону законы Кеплера становятся прямым следствием универсальных законов механики и закона всемирного тяготения. То есть мы опять наблюдаем, как эмпирические заключения, полученные на одном уровне, превращаются в строго обоснованные логические выводы при переходе на следующую ступень углубления наших знаний о мире.

         Прошлая (и нынешняя) Ньютонова механика не отвечает требованиям, которые ставит перед механической теорией современная космонавтика. Она не дает космическому опыту адекватного теоретического описания,  а нередко и просто ему противоречит. Только новая не ньютоновская механика позволит открыть перед космонавтикой и, даже более широко, перед механикой и ее практическими приложениями новые горизонты. В основе этой механики лежит новое понимание гравитации, гравитации без гравитационных сил, но, возможно, с вихревой компонентой.

   Ученые предполагают, что гравитация может быть причиной появления таких удивительных объектов, как «черные дыры». И так, хотя о тяготении уже многое известно, необходимо дальнейшее его изучение.

Литература:

В. А. Чуянов  «Энциклопедия юного физика»

О. Ф. Кабардин «Справочные материалы по физике»

                       3.    http://www.yur.ru/science/mechanics/NewMechanics.htm

                       4.   О. Ф. Кабардин «Справочные материалы по физике» 2 Том

                       5.   А. Зыкова «Что?Зачем?Почему?»