Гравитация и вселенная: Гравитация и вселенная |

Содержание

Гравитация и Вселенная | Частная школа. 9 класс

Конспект по физике для 9 класса «Гравитация и Вселенная». Что такое гравитация и какую роль она играет во Вселенной.

Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике

Под словом «Вселенная» чаще всего мы имеем в виду весь окружающий нас мир. Это понятие используется и тогда, когда хотят сказать о самом большом объекте реального мира, который можно наблюдать и изучать. Все тела Вселенной, доступной для наблюдения, подчиняются закону всемирного тяготения.

ГРАВИТАЦИЯ

Фундаментальное свойство всех тел притягиваться друг к другу называют всемирным тяготением или гравитацией (от лат. gravitas — тяжесть). Свойство гравитации связано с массой тела.

Попытки понять и описать математически законы гравитации предпринимались физиками и до Ньютона. Очень важный результат был получен английским учёным Робертом Гуком, который в 1674 г. писал, что «все небесные тела имеют притяжение, или силу тяготения». Именно Гуку принадлежит открытие «закона обратных квадратов», согласно которому «притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния до центра».

Одним из самых выдающихся открытий в физике стало объяснение природы гравитации, которое впервые было дано в общей теории относительности Альбертом Эйнштейном. Общая теория относительности, опубликованная в 1915-1916 гг., по существу, является обобщённой теорией тяготения. Можно сказать, что теория относительности Эйнштейна произвела в науке революционный переворот.

Силы гравитационного притяжения (силы тяготения) между окружающими нас телами обычных размеров чрезвычайно малы. Отметим также, что силы гравитации между двумя заряженными частицами намного меньше сил их электрического притяжения или отталкивания. Но именно силы гравитационного притяжения между нейтральными атомами водорода на ранней стадии развития Вселенной привели к образованию звёзд.

По мере увеличения массы силы притяжения между телами становятся всё более заметными и при переходе к масштабам небесных тел они начинают играть главную роль и достигают огромных величин. Например, сила взаимного притяжения Земли и Луны составляет около 10²⁰ Н.

Именно благодаря гравитации отдельные небесные тела организуются в системы. Размеры таких систем различны: от сравнительно небольших (с астрономической точки зрения) и простых систем, например система Земля—Луна, Солнечная система и двойные, или кратные, звёзды, до насчитывающих сотни тысяч звёзд больших звёздных скоплений. Считается, что гравитация лежит в основе структуры Вселенной.

Даже после того как теория тяготения Эйнштейна получила признание в научном мире, предпринимались попытки построения теории гравитации, основанной на других принципах. Однако всякий раз оказывалось, что именно теория Эйнштейна подтверждается астрономическими наблюдениями и экспериментальными проверками.

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Солнце — это звезда, возраст которой составляет около 5 млрд лет. Солнечной системой называют систему небесных тел, состоящую из самого Солнца, а также планет, спутников планет, комет, метеорных тел и космической пыли. Все тела Солнечной системы движутся в области преобладающего гравитационного влияния Солнца.

По физическим характеристикам большие планеты Солнечной системы разделяют на внутренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

В настоящее время Плутон, который ранее считали девятой планетой, астрономы не считают планетой Солнечной системы.

Закон всемирного тяготения даёт возможность вычислить массы планет и их спутников, объяснить такие явления, как приливы и отливы в океанах, а также понять многие другие явления. Именно благодаря закону всемирного тяготения стало возможным открытие Нептуна и Плутона сначала при помощи теоретических вычислений. И только позже эти открытия были подтверждены астрономическими наблюдениями.

В 1781 г. английский астроном Уильям Гершель открыл планету Уран. Была вычислена её орбита и составлена таблица положений этой планеты на много лет вперёд. Однако проверка этой таблицы на основе астрономических наблюдений показала, что её данные не совпадают с реальными. Была выдвинута гипотеза, что отклонение в движении Урана вызвано притяжением неизвестной планеты, находящейся от Солнца ещё дальше, чем Уран. Анализируя данные, англичанин Джон Адамс и француз Урбен Леверье вычислили положение гипотетической планеты на небе. По просьбе Леверье немецкий астроном Иоганн Галле занялся проверкой гипотезы, и 28 сентября 1846 г. Галле, направив телескоп на указанное место, обнаружил новую планету, которую назвали Нептуном. Подобным образом 14 марта 1930 г. был открыт и Плутон.

СИЛА ТЯЖЕСТИ И УСКОРЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ НА РАЗНЫХ ПЛАНЕТАХ

Говоря о силе тяжести, раннее мы имели в виду силу, с которой Земля взаимодействует с другими телами. В общем случае под силой тяжести можно понимать силу, создаваемую тяготением массивного тела, и поэтому имеет смысл говорить о силе тяжести на других планетах. При этом можно рассчитать и ускорение свободного падения вблизи поверхности других планет, зная массу планеты и её радиус: При этом силу тяжести на данной планете можно найти по формуле F = mg.

Гелиоцентрическая система Коперника впервые дала возможность определить относительные расстояния планет от Солнца и от Земли. После изобретения Галилеем телескопа появилась возможность изучения физических характеристик космических тел, входящих в Солнечную систему. В 1609 г. Галилей направил изготовленный им маленький телескоп на Луну, Венеру, Юпитер и Сатурн и сделал ряд поразительных для его эпохи открытий. Наблюдая солнечные пятна, Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси.

Во Вселенной есть объекты, являющиеся источниками колоссальной гравитации: на их поверхности сила тяжести достигает огромных значений. Такими объектами являются, например, белые карлики и нейтронные звёзды (сверхплотные остатки некоторых звёзд). Ещё больше сила тяготения вблизи объектов, называемых чёрными дырами. Притяжение этих небесных тел так велико, что они не испускают даже собственный свет, т. е. они не светятся, а остаются чёрными.

Вы смотрели Конспект по физике для 9 класса «Гравитация и Вселенная».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Гравитация оставалась постоянной на протяжении всей истории Вселенной

Георгий Голованов29 августа, 18:57

Более ста лет астрономам известно, что Вселенная расширяется с момента Большого взрыва. Первые 8 млрд лет скорость расширения была относительно постоянной, поскольку ее сдерживала сила тяжести. Однако примерно 5 млрд лет назад она начала нарастать. Что привело к появлению теории темной энергии или представлению о том, что сила гравитации со временем могла измениться. Новое исследование опровергает эту идею — гравитация остается постоянной.

Международная коллаборация Dark Energy Survey (DES), занимающаяся изучением динамики расширения Вселенной, представила на Международной конференции по физике частиц и космологии COSMO’22 в Рио-де-Жанейро статью с результатами исследования темной энергии за три года. В ней авторы приходят к выводу, что природа гравитации оставалась неизменной на протяжении всей истории Вселенной, рассказывает Universe Today.

Общая теория относительности, которую Альберт Эйнштейн завершил к 1915 году, описывает, как искривление пространства-времени меняется в присутствии гравитации. За сто с небольшим лет эта теория точно предсказала почти все во Вселенной, от орбиты Меркурия и гравитационных линз до существования черных дыр. Но между 60-ми и 90-ми годами прошлого века были обнаружены два отклонения, которые заставили астрономов усомниться в верности ОТО.

Первое: гравитационные эффекты массивных структур уровня галактик и их скоплений не совпадают с их наблюдаемой массой. Это породило гипотезу о том, что космос наполнен невидимой массой, которая взаимодействует с «нормальной» (видимой) материей. Второе: наблюдаемое расширение Вселенной породило теорию темной энергии и космологическую модель лямбда-CDM.

Есть и другой вариант ответа — ОТО требует пересмотра. Чтобы понять, так ли это, специалисты DES наблюдали из обсерватории в Чили галактики в 5 млрд световых годах от Земли. Они надеялись определить, изменилась ли гравитация за это время. Особое внимание они уделили снимкам, содержащим мельчайшие отклонения из-за эффекта гравитационных линз. Когда появилось первое изображение телескопа «Уэбб», ученые проанализировали и их, и смогли сделать вывод о силе гравитации по тому, насколько гравитационные линзы искажают пространство-время.

Коллаборация измерила форму более сотни галактики, и все наблюдения совпадают с предсказаниями ОТО. Теория Эйнштейна работает, но тайна темной энергии пока остается не раскрытой.

Колоссальные регионы почти полной пустоты, из которых, в основном, состоит космическое пространство, могут не только служить полигоном для изучения ускоренного расширения Вселенной, но и вызывать это явление. Такую гипотезу предлагают ученые из Ирана. Возможно, считают они, темная энергия — не какая-то экзотическая сила или процесс, а просто побочный продукт обычной эволюции пустоты.

Что такое гравитация? | Космос

НАСА использовало симулятор ходьбы при посадке на Луну для изучения способности астронавтов выполнять задачи, испытывая одну шестую нормальной гравитации, в рамках подготовки к высадке Аполлона на Луну.
(Изображение предоставлено НАСА)

Гравитация является одной из фундаментальных сил вселенной и доминирует в каждый момент нашего сознательного опыта. Он держит нас близко к земле, тащит бейсбольные и баскетбольные мячи из воздуха и дает нашим мышцам возможность бороться. С космической точки зрения гравитация так же важна.

От коллапса водородных облаков в звезды до склеивания галактик — гравитация является одним из немногих факторов, определяющих основные направления эволюции Вселенной.

В каком-то смысле история гравитации — это также и история физики, где некоторые из крупнейших имен в этой области прославились, определив силу, которая управляла их жизнями. Но даже после более чем 400 лет изучения загадочная сила все еще лежит в основе некоторых из величайших тайн дисциплины.

Связанный: Что такое темная материя?

Гравитация: универсальная сила

Каждый день на нас действуют четыре фундаментальные силы. Сильное взаимодействие и слабое взаимодействие действуют только внутри центров атомов. Электромагнитная сила управляет объектами с избыточным зарядом (такими как электроны, протоны и носки, шаркающие по пушистому ковру), а гравитация управляет объектами с массой.

Первые три силы в значительной степени ускользали от внимания человечества до последних столетий, но люди давно размышляли о гравитации, которая действует на все, от капель дождя до пушечных ядер.

Древнегреческие и индийские философы заметили, что объекты естественным образом движутся к земле, но Исааку Ньютону понадобилась проницательность, чтобы поднять гравитацию из непостижимой тенденции объектов в измеримое и предсказуемое явление.

Скачок Ньютона, о котором стало известно в его трактате 1687 года «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica», заключался в том, чтобы понять, что каждый объект во Вселенной — от песчинки до крупнейших звезд — притягивает любой другой объект. Это понятие объединило события, которые казались несвязанными, от яблок, падающих на Землю, до планет, вращающихся вокруг Солнца. Он также определил числа для притяжения: удвоение массы одного объекта делает его притяжение вдвое сильнее, определил он, а сближение двух объектов вдвое увеличивает их взаимное притяжение в четыре раза. Ньютон упаковал эти идеи в свой универсальный закон всемирного тяготения.

Что вызывает гравитацию?

Массивные тела искажают ткань пространства и времени вокруг себя, приводя к близлежащим объектам, следующим по кривой траектории. Иллюстрация этого художника показывает, как гравитация изгибает ткань пространства-времени вокруг Земли и Солнца. (Изображение предоставлено: vchal через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Описание гравитации Ньютоном было достаточно точным, чтобы обнаружить существование Нептуна в середине 1800-х годов, прежде чем кто-либо мог его увидеть, но закон Ньютона не идеален. В 1800-х годах астрономы заметили, что эллипс, описываемый орбитой Меркурия, движется вокруг Солнца быстрее, чем предсказывала теория Ньютона, что предполагает небольшое несоответствие между его законом и законами природы. Загадка была в конечном итоге решена общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915.

До того, как Эйнштейн опубликовал свою новаторскую теорию, физики знали, как рассчитать гравитационное притяжение планеты, но их понимание того, почему гравитация ведет себя таким образом, мало продвинулось вперед по сравнению с древними философами. Эти ученые понимали, что все объекты притягивают все другие с мгновенной и бесконечно далеко идущей силой, как постулировал Ньютон, и многие физики эпохи Эйнштейна довольствовались этим. Но, работая над своей специальной теорией относительности, Эйнштейн определил, что ничто не может перемещаться мгновенно, и гравитация не должна быть исключением.

Согласно Стэнфордской энциклопедии философии, на протяжении веков физики относились к пространству как к пустой структуре, на фоне которой разыгрывались события. Оно было абсолютным, неизменным и не существовало — ни в каком физическом смысле — на самом деле. Общая теория относительности превратила пространство и время из статического фона в субстанцию, чем-то похожую на воздух в комнате. Эйнштейн считал, что пространство и время вместе составляют ткань вселенной и что этот «пространственно-временной» материал может растягиваться, сжиматься, скручиваться и поворачиваться — волоча все в себе за собой.

Истории по теме:

Эйнштейн предположил, что форма пространства-времени порождает силу, которую мы воспринимаем как гравитацию. Концентрация массы (или энергии), такая как Земля или Солнце, изгибает пространство вокруг себя, как скала изгибает течение реки. Когда другие объекты движутся поблизости, они следуют искривлению пространства, как лист может следовать за водоворотом вокруг скалы (хотя эта метафора не идеальна, потому что, по крайней мере, в случае планет, вращающихся вокруг Солнца, пространство-время не «течет». «). Мы видим, как планеты вращаются, а яблоки падают, потому что они следуют путями сквозь искаженную форму Вселенной. В повседневных ситуациях эти траектории соответствуют силе, предсказываемой законом Ньютона.

Уравнения поля общей теории относительности Эйнштейна, набор формул, которые иллюстрируют, как материя и энергия искривляют пространство-время, получили признание, когда они успешно предсказали изменения орбиты Меркурия, а также отклонение звездного света вокруг Солнца во время солнечного затмения 1919 года.

В фотографиях: эксперимент Эйнштейна по солнечному затмению 1919 года проверяет общую теорию относительности

Гравитация: инструмент открытий

Современное описание гравитации настолько точно предсказывает взаимодействие масс, что оно стало руководством для космических открытий.

Американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд в 1960-х годах заметили, что галактики вращаются достаточно быстро, чтобы образовать звезды, как собака стряхивает капли воды. Но поскольку галактики, которые они изучали, не вращались, казалось, что-то помогает им держаться вместе. Тщательные наблюдения Рубина и Форда предоставили веские доказательства в поддержку более ранней теории швейцарского астронома Фрица Цвикки, выдвинутой в 1930-х годах, о том, что некая невидимая разновидность массы ускоряет галактики в ближайшем скоплении. Большинство физиков теперь подозревают, что эта загадочная «темная материя» искажает пространство-время настолько, что галактики и скопления галактик остаются нетронутыми. Другие, однако, задаются вопросом, может ли сама гравитация притягивать сильнее в масштабах всей галактики, и в этом случае уравнения Ньютона и Эйнштейна потребуют корректировки.

Корректировка общей теории относительности должна быть очень тонкой, так как исследователи недавно начали обнаруживать одно из самых тонких предсказаний теории: существование гравитационных волн или ряби в пространстве-времени, вызванных ускорением масс в пространстве. С 2016 года исследовательское сотрудничество, управляющее тремя детекторами в США и Европе, измерило множественные гравитационные волны, проходящие через Землю. На подходе новые детекторы, открывающие новую эру астрономии , в которой исследователи изучают далекие черные дыры и нейтронные звезды — не по свету, который они излучают, а по тому, как они сотрясают ткань пространства при столкновении.

Тем не менее, череда экспериментальных успехов общей теории относительности затушевывает то, что многие физики считают фатальной теоретической неудачей: она описывает классическое пространство-время, но вселенная в конечном счете оказывается квантовой или состоит из частиц (или «квантов»), таких как кварки и электроны.

Классическое представление о пространстве (и гравитации) как о единой гладкой ткани противоречит квантовой картине Вселенной как совокупности острых маленьких кусочков. Как расширить действующую Стандартную модель физики элементарных частиц (откроется в новой вкладке), которая охватывает все известные частицы, а также три других фундаментальных взаимодействия (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие), чтобы охватить пространство и гравитацию в Уровень частиц остается одной из глубочайших загадок современной физики.

Дополнительные ресурсы

Посмотрите это видео, объясняющее ньютоновскую гравитацию, из ускоренного курса PBS Digital Media (откроется в новой вкладке). Узнайте больше о гравитации и о том, как работают искривления и рябь в космосе (откроется в новой вкладке), от Австралийской академии наук. Прочтите объяснение астрофизика Итана Сигела о том, как гравитация искривляет (открывается в новой вкладке) (и разгибает) пространство, создавая гравитационные волны на Medium.

Библиография

Хед, Кейт. «Гравитация для начинающих». Университет Британской Колумбии (открывается в новой вкладке) (2003 г.).

Пуассон, Эрик и Клиффорд М. Уилл. «Сила тяжести.» Издательство Кембриджского университета (открывается в новой вкладке) (2014 г.).

Почему гравитация тянет нас вниз, а не вверх? Марио Борунда, Разговор (открывается в новой вкладке) (2021).

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Чарли Вуд — независимый журналист, освещающий физические науки как в этой бледно-голубой точке, так и вне ее. Он сотрудничает с Space.com и LiveScience, а также с Popular Science, Scientific American, Quanta Magazine и другими. Сейчас он пишет из Нью-Йорка, но в прошлых жизнях преподавал физику в Мозамбике и английский язык в Японии. Найдите его в Твиттере @walkingthedot.

Влияние гравитации на Вселенную Рона Куртуса

SfC Home > Physics > Gravitation >

Рон Куртус

Начиная с взбалтывания облаков молекулярных газов после Большого взрыва, гравитация — или взаимное притяжение между объектами материи — повлияла на формирование галактик, звезд и планет во Вселенной. Гравитационная сила также отвечает за форму звезд и планет, а также многих других объектов в космосе. На первоначальное движение всего материала во Вселенной позже повлияла гравитация, что привело к вращательному движению галактик и орбитам планет в нашей Солнечной системе.

Возможные вопросы:

Какую роль сыграла гравитация в формировании галактик и звезд?
Почему звезды и планеты круглые?
Как взаимодействуют объекты в космосе?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц

Формирование галактик, звезд и планет

Ученые считают, что примерно через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная состояла из молекулярных облаков ионизированных газов. Гравитационные силы вызвали слипание этой взбалтывающейся материи до тех пор, пока примерно 500 миллионов лет спустя не собрались большие, отчетливые количества материи, положившие начало галактикам.

Примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва гравитационные силы стягивали материю в галактиках вместе, образуя звезды. Из-за большого количества материи в звезде большая ее часть так и не остыла. Термоядерные реакции поддерживали звезды при чрезвычайно высокой температуре на протяжении тысячелетий.

Типичная спиральная галактика

Галактики и звезды продолжали развиваться примерно до 9 миллиардов лет, когда сформировалась наша Солнечная система вместе с ее планетами, движущимися вокруг Солнца.

Форма звезд и планет

Гравитационное притяжение во время образования звезд и планет заставило их принять сферическую форму, которая является наиболее эффективной формой для равномерного распределения гравитационной силы по массе объекта.

Однако вращение этих тел вокруг своей оси по мере их охлаждения часто приводило к выпуклости на их экваторе из-за центробежной силы. Экваториальный радиус Земли составляет 6 378,1 км, а полярный — 6 356,8 км. Поскольку Солнце вращается так медленно, а его масса так велика, выпуклость в уравнении Солнца незначительна по сравнению с его общим размером.

Земля на экваторе немного шире, чем между полюсами

Так как галактики очень рассредоточены и состоят из газов и звезд, сил гравитации недостаточно, чтобы придать большинству из них форму, даже близкую к сферической.

Меньшие объекты, такие как астероиды и метеоры, обычно не образуются из затвердевающей жидкости и поэтому часто не имеют сферической формы.

Взаимодействие объектов в пространстве

Объекты в пространстве находятся в постоянном движении. Помимо того, что большое количество материи собирается вместе для образования солнц, планет и лун, гравитация также заставляет эти движущиеся тела взаимодействовать друг с другом.

Если пути двух мчащихся в космосе объектов пересекаются, они столкнутся или закрутятся друг в друге. Кратеры, которые вы можете увидеть на поверхности Луны, образовались от врезавшихся в нее объектов. В более крупном масштабе даже сталкивались солнца.

Однако, если их траектории движения просто проходят рядом друг с другом, тела могут выйти на орбиту вокруг центра масс между ними или даже «выстрелить» в космос, в зависимости от масс, разносов и скоростей.

( См. Центр масс и тангенциальное гравитационное движение для получения дополнительной информации. )

Орбиты

Круговые или эллиптические орбиты, наблюдаемые у спутников, — это планеты, планеты вокруг своих солнц и солнц или звезды на орбитах вокруг центра своих галактик.

В некоторых случаях, когда объекты имеют близкий размер, они могут вращаться друг вокруг друга. Астрономы видели ряд или двойных или двойных звезд, которые вращаются вокруг друг друга.

Рогатка

Если относительная скорость между двумя объектами достаточно велика, один из них пролетит мимо и уйдет в космос по параболической или гиперболической траектории.

Луна вращается вокруг Земли

Гравитация удерживает Луну на орбите вокруг Земли.

Поскольку Закон Инерции гласит, что движущиеся объекты имеют тенденцию двигаться по прямой линии, сила гравитации между Землей и Луной не позволяет Луне двигаться по прямому пути. Это чем-то похоже на воздействие веревки на вес, который вы качаете вокруг себя. Как только вы отпускаете, вес больше не движется по кругу, а вместо этого улетает от вас.

Точно так же Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца, а Солнце вращается вокруг центра галактики Млечный Путь.

Резюме

После Большого взрыва гравитация повлияла на формирование галактик, звезд и планет во Вселенной. Гравитационная сила также отвечает за форму звезд и планет, а также многих других объектов в космосе. Первоначальное движение всего вещества во Вселенной позже подверглось влиянию гравитации и привело к вращению в галактиках и вращению планет в нашей Солнечной системе.

Посмотрите на звезды

Ресурсы и ссылки

Рон Куртус. Условия

Веб -сайты

Ресурсы гравитации

. )

Книги с самым высоким рейтингом по гравитации

Вопросы и комментарии

У вас есть вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если это так, отправьте электронное письмо с вашим отзывом.