Закон всемирного тяготения

С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения mv и движущей силой

равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия. Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы – закона всемирного тяготения.

В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно вычислить силу тяготения. Доказательство тождества силы тяготения и силы тяжести на Земле Ньютон проводит на основе вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; уменьшив это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, он устанавливает, что оно равно ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон сделал вывод, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Далее Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Развивая это положение, Ньютон формулирует закон всемирного тяготения в общем виде: Древняя идея взаимного стремления тел друг к другу («любви») благодаря Ньютону освободилась от антропоморфности и таинственности. В теории Ньютона тяготение предстало как универсальное взаимодействие, которое проявляется между любыми материальными частицами независимо от их конкретных качеств и состава. Сила этого взаимодействия всегда пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поле тяготения – потенциальное поле, создающее напряженность. Потенциал поля тяготения для частицы массы m равен: ? = – G m / r .

Поскольку в закон всемирного тяготения время не входит и сила тяготения определяется только положениями частиц в данный момент времени, то Ньютон и его последователи исходили из того, что гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно.

Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 г. – одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию – механику земных и небесных процессов. В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии», которая вышла в свет в 1687 г. Современники Ньютона высоко оценили этот уникальный труд.

Разработанный Ньютоном способ изучения явлений природы оказался исключительно плодотворным. Его учение о тяготении – не общее натурфилософское рассуждение и умозрительная схема, а логически строгая, точная (и более чем на два века единственная) фундаментальная теория, которая стала рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел. Законы движения планет предстали как следствия закона всемирного тяготения. Причину и природу тяготения Ньютон не считал возможным обсуждать, не имея на этот счет достаточного количества фактов («Гипотез не измышляю!»).

Физический фундамент небесной механики – закон всемирного тяготения. Из этого закона Ньютон вывел в качестве простых следствий (и уточнил при этом) Кеплеровы законы эллиптического движения планет, показал, что в общем случае движение тел Солнечной системы может происходить по любому коническому сечению, включая параболу и гиперболу; он сделал вывод о единстве законов движения комет и планет и впервые включил кометы в состав Солнечной системы; дал математический метод вычисления истинной орбиты комет [1] по их наблюдениям. Он также четко объяснил приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), прецессию; сформулировал вывод о сплюснутой у полюсов форме Земли. Ньютону принадлежит и великая заслуга объяснения возмущающего движения в Солнечной системе как неизбежного следствия ее устройства.

1 Это вскоре позволило английскому астроному Э. Галлею открыть первую периодическую комету (комета Галлея).

Формирование основ классической механики – величайшее достижение естествознания XVII в. Классическая механика была первой фундаментальной естественно-научной теорией. В течение трех столетий (с XVII в. по начало XX в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественно-научной картины мира – механистической. Ньютоновская теория тяготения и в настоящее время является важным орудием познания природы. С ее помощью с большой точностью описывается движение естественных (планет, их спутников, комет, астероидов и др.) и искусственных (спутников, космических аппаратов и др.) тел в Солнечной системе, в звездных системах, галактиках и др., определяются массы тел, и др.

3 ЗАКОНА Вторая научная революция завершилась творчеством одного из ве-

личайших ученых в истории человечества, каковым был Исаак Ньютон

(1643–1727 гг.). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него

входит и создание (параллельно с Лейбницем, но независимо от него)

дифференциального и интегрального исчисления, и важные астрономи-

ческие наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственно-

ручно построенных зеркальных телескопов (он, так же как и Галилей,

именно телескопу обязан первым признанием своих научных заслуг), и

большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты в об-

ласти дисперсии света и дал объяснение этому явлению). Но главным на-

учным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Га-

лилея по созданию классической механики, господства механических

представлений о мире.

В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляю-

щие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют

исключительную роль в механике и являются (как и большинство физи-

ческих законов) обобщением результатов огромного человеческого опы-

та, о чем сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то

потому, что стоял на плечах гигантов». Законы Ньютона рассматривают

обычно как систему взаимосвязанных законов.

Первый закон механики Ньютона – это принцип инерции, впервые

сформулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние по-

коя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно

не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо

второго закона механики Ньютона состоит в констатации того факта, что

приобретаемое телом ускорение прямо пропорционально этой дейст-

вующей силе и обратно пропорционально массе тела.

Третий закон механики Ньютона – это закон равенства действия и

противодействия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга

всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.

Данная система законов движения была дополнена открытием Нью-

тоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, неза-

висимо от их свойств и свойств среды, в которой они находятся, испыты-

вают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массе и обратно

пропорциональное квадрату расстояния между ними.

Ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало та-

кого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как

открытие закона всемирного тяготения. Это был закон природы, которой

подчинялось все – малое и большое, земное и небесное. Этот закон явил-

ся основанием создания небесной механики – науки, изучающей движе-

ние тел солнечной системы. Как пишет известный японский физик Х.

Юкава, «Ньютон многое отсек у реального мира, о котором размышляют

физики…Конечно, Ньютон абстрагируется, но он оставляет самое суще-

ственное и создает единую картину мира. Ему принадлежит, по крайней

мере, построение теории Солнечной системы. Это один из миров. Оста-

ется еще…и множество других миров. В них он не успел разобраться, но

Солнечная система прекрасно воссоздана в рамках его механики».

Небе́сная меха́ника — раздел астрономии, применяющий законы механики для изучения движения небесных тел. Небесная механика занимается предвычислением положения Луны и планет, предсказанием места и времени затмений, в общем, определением реального движения космических тел.

Естественно, что небесная механика в первую очередь изучает поведение тел Солнечной системы — обращение планет вокруг Солнца, спутников вокруг планет, движение комет и других малых небесных тел. Тогда как перемещение далеких звёзд удается заметить, в лучшем случае, за десятилетия и века, движение членов Солнечной системы происходит буквально на глазах — за дни, часы и даже минуты. Поэтому его изучение стало началом современной небесной механики, рождённой трудами И. Кеплера (1571—1630) и И. Ньютона (1643—1727). Кеплер впервые установил законы планетного движения, а Ньютон вывел из законов Кеплера закон всемирного тяготения и использовал законы движения и тяготения для решения небесно-механических проблем, не охваченных законами Кеплера. После Ньютона прогресс в небесной механике в основном заключался в развитии математической техники для решения уравнений, выражающих законы Ньютона. Таким образом, принципы небесной механики — это «классика» в том смысле, что и сегодня они такие же, как во времена Ньютона. Применение результатов небесной механики к движению искусственных спутников и космических кораблей составляет астродинамику.

Принцип дальнодействия. В МКМ было принято, что взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Это положение и было названо принципом дальнодействия.

Дальноде́йствие (непосредственное действие тел на расстоянии) и короткоде́йствие (близкодействие) — две концепции классической физики, противоборствовавшие на заре её становления.

Согласно концепции дальнодействия, тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии. Такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером силы, считавшейся одним из примеров непосредственного действия на расстоянии, можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона.

Согласно концепции короткодействия (близкодействия), взаимодействия передаются с помощью особых материальных посредников и с конечной скоростью. Например, в случае электромагнитных взаимодействий таким посредником является электромагнитное поле.

В современной физике эти понятия иногда используются в другом смысле, а именно, дальнодействующими полями называют гравитационное и электромагнитное (они подчиняются в классическом пределе закону обратных квадратов), а короткодействующими — поля сильного и слабого взаимодействия, которые быстро спадают с расстоянием на больших масштабах, и поэтому проявляются лишь при малых расстояниях между частицами.

Принцип дальнодействия. ХРЕНЬ КАКАЯ-ТО! большинство последователей Ньютона нередко отходили от его подлинно глубоких идей, забыв или вовсе не зная о его осторожных и тонких замечаниях. В XVIII в. они крайне упростили ту физическую картину мира, которая проступала перед мысленным взором Ньютона. Так, например, утвердилось представление о существовании бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового пространства, между тем как Ньютон склонялся к идее крайней разреженности мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. Утвердился также и жесткий принцип дальнодействия как передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Принцип дальнодействия гласит, что если тело А, находящееся в точке а, действует на другое тело В, то тело В, находящееся в точке Ъ, испытывает это воздействие в тот оке момент.

Ньютон же считал необходимым наличие некоего передатчика этого действия, «агента», правда, допуская его, быть может, нематериальную природу. Но подобные тонкости уже не вдохновляли физиков века Просвещения, когда научная революция закончилась и набирало темпы развития экспериментальное естествознание. Критерии к результатам научных исследований на эволюционном этапе развития физики (по сравнению со временем ньютонианской революции) изменились — они стали более упрощенными, стандартизованными; при этом были нужны немедленный эффект и простейшее обоснование.

Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических объектов незаметно, поскольку притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Лишь высокочувствительные устройства в состоянии уловить гравитационные эффекты. Только в 1774 г. английский ученый Н. Маскелайн обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением находящейся поблизости горы. В 1797 г. английский физик и химик Г. Кавендиш поставил знаменитый эксперимент по измерению едва уловимой силы притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами; это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: