Сила тяжести - определение, причины возникновения и формулы

Общие сведения

Силой тяжести (Fт) называется величина, действующая на физическое тело, которое находится на поверхности Земли или другого астрономического объекта. Последним может быть любая планета, астероид, звезда и даже черная дыра. Следует отметить, что Fт Земли отличается от других, поскольку все зависит от следующих факторов:

1. Гравитационного поля.
2. Центробежной силы инерции при вращении.

Необходимо отметить, что Fт является векторной величиной. Иными словами, она имеет направление. Единицей измерения является ньютон (Н).

Существуют также и другие классы составляющих (сила притяжения Солнца и Луны), однако они не учитываются, поскольку являются очень малыми величинами. Fт сообщает физическим телам ускорение свободного падения, которое считается величиной постоянной (константой) для отдельного астрономического тела. Она не зависит от его массы.

Гравитационное притяжение

Гравитационным притяжением, или силой Всемирного тяготения, называется величина взаимодействия двух физических тел с массами M и m, зависящая также от расстояния между ними (причем M > m). Кроме того, следует обратить внимание на константу, называемую гравитационной постоянной G.

Гравитационная составляющая играет важную роль не только для выполнения расчетов в физике, но и в сохранении жизни. С помощью этой силы строятся Солнечные системы, которые объединяются в Галактики. В Солнечной системе Земля находится на нужном расстоянии от Солнца, тем самым на первой существует жизнь. Кроме того, постоянно происходит расширение Вселенной. На основании этого явления осуществляется образование новых Галактик.

Впервые закон всемирного тяготения огласил Исаак Ньютон. У него следующая формулировка: сила взаимодействия двух тел с массами m1 и m2, совершающих работу в пространстве и находящихся на расстоянии r друг от друга, прямо пропорциональна произведению их масс на гравитационную постоянную G и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Запись в виде формулы выглядит таким образом: F = (G * m1 * m2) / r ². Если тело находится над поверхностью Земли, то нужно записать соотношение с учетом радиуса планеты R и его высоты над поверхностью h таким способом: F = (G * m1 * m2) / [R + h]^2.

Коэффициент G равен примерно 6,67 * 10^(-11) м³ / (кг * с²). Следует отметить, что существует определенное условие, при котором можно воспользоваться этой формулой. В этом случае следует учитывать скорость света c = 3 * 10⁸ м/с, а также радиус астрономического тела R. Соотношение имеет такой вид: G * M / (R * c ²) <<1. Следовательно, скорость движения тела должна быть намного меньше скорости света, то есть v << c.

Для совершения точных расчетов следует брать мощность излучения потоков фотонов и других элементарных частиц. Для этих целей применяются специализированные калькуляторы, а также приложения, позволяющие создавать рисунки или схемы действия всех сил и их составляющих.

Центробежная сила

Центробежной силой называется физическая величина, характеризующая составляющую действующих сил инерции. Это понятие вводят при переходе из инерциальной системы отсчета в неинерциальную, что позволяет без проблем рассчитать ускорение некоторых тел, используя баланс сил.

Вектор центробежной силы инерции Земли или другого астрономического тела всегда направлен по касательной воображаемой окружности, с которой оно аппроксимируется. Иногда физики избегают этого понятия, поскольку благодаря научно-техническому прогрессу можно рассчитывать ускорения с помощью специального программного обеспечения. Программы сами переходят из одной инерциальной системы в другую, используя методы параллельного переноса одной границы в другую с учетом теории относительности Альберта Эйнштейна, а также закона всемирного тяготения Исаака Ньютона.

Существуют также и другие сложные алгоритмы, позволяющие производить расчеты не только на Земле, но и на других космических телах. Это очень важно, поскольку при использовании такой методики были получены ускорения свободного падения (g) на различных планетах и телах. Кроме того, с учетом Fт и других сил и факторов на орбиту были выведены искусственные спутники Земли, осуществляющие информационный обмен в гражданской и военной сферах деятельности человека.

Следует отметить, что центробежная сила обозначается Fc и определяется по формуле: Fc = m * w ² * r, где m — масса тела, а r — расстояние между физическим телом или материальной точкой и земной осью. Когда величина r является меньше радиуса Земли, тогда соотношение приобретает такой вид: Fc = m * w² * R * cos (q), где q — географическая широта, на которой расположено тело.

Ускорение свободного падения

Fт, действуя на тело, сообщает ему g. Используя II закон Ньютона, эту величину можно выразить в таком виде: g = Fт / m. В этом случае модуль g с высоты h будет эквивалентен такому соотношению: g (h) = (G * M) / (R + h)^2. Тогда на поверхности Земли при h = 0 формулу можно править таким методом: g (h) = (G * M) / R².

Fт определяется по такому равенству: Fт = m * g. Для Земли величина g примерно равна 9,81 м/с². По формуле видно, что g не зависит от массы тела, а обратно пропорционально зависит от квадрата расстояния искомого тела до центра Земли. Однако на поверхности планеты не всегда одинаковое ускорение. Сила тяжести увеличивается на полюсах Земного шара, а уменьшается на экваторе. Следовательно, увеличивается или уменьшается величина g. Это явление объясняется тем, что шар немного сплюснут по полюсам. Радиус экватора на 21,25 км больше, чем на последних.

Однако g зависит не только от широты. Следующим фактором является тип системы. Они бывают инерциальными и неинерциальными. Примером первой считается гелиоцентрическая система, а второй — Земля. В последнем случае она движется по орбите вокруг Солнца, а не стоит на месте.

Еще одним фактором, от которого зависит g, является плотность (p) залегания пород. Если p больше средней плотности Земли (залежи железной руды), то g становится больше. Далее следует разобраться в физическом смысле g.

Этот процесс проще понять на примере падающего тела с высоты 50 метров:

1. На начальном уровне его скорость эквивалентна 0. Ее следует определять по такой формуле: v = g * t
2. На 1 секунде (t = 1): 9,81 * 1 = 9,81 (м/с).
3. При t = 2: 9,81 * 2 = 19,62 (м/с).
4. t = 3: 9,81 * 3 = 29,43 (м/с).
5. t = 4: 9,81 * 4 = 39,24 (м/с).
6. t = 5: 9,81 * 5 = 49,05 (м/с).

Иными словами, оно равномерно разгоняется до определенной скорости с течением времени. Такое движение называется равноускоренным. Если перевести скорость на пятой секунде в км/ч, то значение будет эквивалентно величине 176,58. Однако при падении тела необходимо учитывать сопротивляемость воздуха, поскольку перо и яблоко падают не с одинаковыми показателями.

Вес тела

Весом тела (P) называется сила действия тела на опору или подвес в результате притяжения Земли. Для демонстрации этого явления необходимо рассмотреть пример взаимодействия пружины и тела, прикрепленного к ней. Под действием Fт пружина деформируется и появляется новая величина, называемая силой упругости Fупр. Необходимо отметить, что векторы Fупр и Fт направлены в противоположные стороны. Направление силы тяжести, а точнее ее вектора, осуществляется всегда вниз, а Fупр — вверх.

Кроме того, необходимо отметить, что при растяжении пружины верхняя часть тела «деформируется», отставая от всех его точек. Эта величина и называется весом тела. Формула для его определения имеет такой вид: P = Fт = m * g.

При использовании опоры, на которой лежит физическое тело, величина P будет равна реакции опоры, направленной вверх. Следовательно, модули N и Fт равны, поскольку тело не падает. Значит P определяется по следующей формуле: P = N = |Fт| = m * g. Однако природа возникновения P и Fт различна, поскольку первая приложена к подвесу или опоре. Она является результатом взаимодействия тела и последней. Вторая — взаимодействие тела и силы тяготения. Кроме того, она приложена только к телу. В этих ключевых аспектах и заключается основная разница между P и Fт.

Вес тела обладает некоторыми особенностями. Сила тяжести — составляющая P. Первый состоит из совокупности сил (реакция опоры или сила упругости, сила тяжести и тяги). А также P зависит от скорости движения подвеса или выталкивающей силы в жидкостях.

Понятие невесомости

Для понимания явления невесомости следует проделать опыт с весами и телом. Если держать весы, к которым привязано тело, то можно увидеть вес последнего, равного по модулю Fт = m * g. Однако при выпускании весов из рук показание начнет стремительно приближаться к нулевому значению. Это связано с тем, что P и Fт компенсируют друг друга, поскольку в одном и другом случаях величина g одинакова.

Математически такое явление можно записать следующим образом: P = m * (g — g) = 0. Запись показывает, что физическое тело не деформируется, поскольку движется в одном направлении с вектором Fт. Далее следует рассмотреть Космос. В нем также присутствует невесомость, но другого вида. Если космический корабль находится далеко от Земли, то силы притяжения на него практически не действуют, а, следовательно, значение Fт стремится к 0. Расчет выполняется по такой методике:

1. Записывается формула силы тяжести Fт: Fт = m * g.
2. Величина параметра g стремится к бесконечно малому значению, равному 0 (g -> 0), поскольку находится из уравнения: 0 = m * g. Из равенства можно вычислить g = 0 / m = 0.
3. Подставив g -> 0 в формулу веса тела, можно получить такое тождество: P = m * g = m * 0 = 0.

Методика позволяет при помощи математических преобразований находить любые значения физических величин. Выражение g -> 0 показывает, что g практически равно 0. Очень важную роль сила тяжести играет в природе, поскольку влияет на некоторые необходимые для жизни процессы.

Значение в природе

Ученые установили, что без Fт невозможно существование жизни и Вселенной, поскольку она необходима для термоядерного синтеза на Солнце. Если бы не было ее, то звезды в процессе своей эволюции на конечных стадиях взрывались, распыляя в космическое пространство мощные потоки радиоактивной энергии, губительной для всего живого.

Кроме того, с ее участием формируется структура внутренней оболочки Земли. Следует обратить внимание на метеориты, которые образуются в космическом пространстве в результате уничтожения звезд или других элементов Галактики. Планеты, обладающие большей силой гравитации, помогают отвести нежелательные космические тела от нашей планеты. Например, при помощи мощного телескопа можно рассмотреть поверхность Юпитера, на которой заметно множество кратеров. Подобные изменения рельефа присутствуют также и на Марсе. Несмотря на меньшие размеры, он обладает большей массой, чем Земля, а, следовательно, и гравитационное поле мощнее.

Круговорот вещества и энергии зависит от потенциальной энергии Fт, которая постоянно переходит в кинетическую и обратно. Кроме того, при помощи этой силы удерживается атмосфера, влияющая на жизнь и защищающая от губительного излучения космического пространства и близлежащей звезды — Солнца. В результате этого существует такая характеристика, как атмосферное давление. Оно является результатом воздействия Fт на слои атмосферы.

Благодаря Fт живые организмы ориентируются в пространстве при помощи определенных рецепторов. У человека за это отвечает вестибулярный аппарат. Кроме того, постоянное воздействие Fт стало причиной образования прочного скелета у позвоночных.

Таким образом, сила тяжести играет важную роль в существовании жизни на Земле, поскольку от нее зависит множество явлений и процессов, а также в построении Вселенной.