§ 26. Явление тяготения. Сила тяжести

фундаментальное физическое явление взаимного гравитационного притяжения, существующее между абсолютно всеми телами и частицами Вселенной.

• 1. Универсальность явления — гравитационному взаимодействию подвержены все без исключения материальные объекты природы: от субатомных частиц, песчинок и капель воды до планет, звезд и гигантских галактик.
• 2. Взаимный характер — взаимодействие тел во Вселенной никогда не бывает односторонним; любые два тела взаимно притягивают друг друга с равными по модулю и противоположными по направлению силами.
• 3. Космологическое значение — всемирное тяготение определяет форму и устойчивость Солнечной системы, удерживает атмосферу и гидросферу Земли, обеспечивает движение планет вокруг Солнца и движение спутников вокруг планет.

сила, с которой планета Земля притягивает к себе любое материальное тело, находящееся вблизи её поверхности.

• 1. Обозначение и физическая природа — обозначается символом $\vec{F}_{\text{тяж}}$, является векторной физической величиной и представляет собой конкретное локальное проявление сил всемирного тяготения.
• 2. Точка приложения и направление — приложена непосредственно к телу (к его центру тяжести) и направлена строго вертикально вниз — к центру земного шара.
• 3. Прямая пропорциональность массе — сила тяжести прямо пропорциональна массе тела:

$$F_{\text{тяж}} \sim m$$

При увеличении массы тела в 2, 3 или $n$ раз действующая на него сила тяжести возрастает ровно во столько же раз.

фундаментальный закон классической механики, открытый Исааком Ньютоном, согласно которому сила взаимного гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

$$F = G \frac{m_1 \cdot m_2}{R^2}$$

• 1. Влияние расстояния — при увеличении расстояния от центра планеты до тела в 2 раза сила гравитационного притяжения уменьшается в $2^2 = 4$ раза; при увеличении расстояния в 3 раза сила уменьшается в $3^2 = 9$ раз.
• 2. Ослабление притяжения Земли — для того чтобы сила притяжения Земли уменьшилась ровно в 2 раза, необходимо подняться над ее поверхностью на высоту около $2600\text{ км}$.
• 3. Причина неощутимости притяжения окружающих тел — масса Земли колоссальна ($M_{\text{З}} \approx 6 \cdot 10^{24}\text{ кг}$), поэтому мы отчетливо ощущаем притяжение к планете, тогда как гравитационное притяжение между людьми и окружающими бытовыми предметами исчезающе мало из-за их небольших масс.

силы дальнодействующего взаимодействия между материальными телами, величина которых обусловлена исключительно их массами и расстоянием между ними.

• 1. Естественные природные проявления — свободное падение тел на Землю, параболическая траектория полета брошенного камня или мяча, океанские приливы и отливы под действием Луны и Солнца.
• 2. Орбитальное движение спутников — искусственные спутники не падают на Землю, поскольку благодаря высокой начальной скорости их траектория непрерывно искривляется под действием силы тяжести с тем же радиусом кривизны, что и поверхность земного шара.

Великий английский физик, механик, математик и астроном, один из создателей классической физики. Открыл фундаментальный закон всемирного тяготения и доказал единую гравитационную природу притяжения тел к Земле и движения планет.

• Сформулировал закон всемирного тяготения, установив, что сила притяжения между телами прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
• Доказал, что сила тяжести, вызывающая падение тел на поверхность Земли, тождественна силе, удерживающей Луну и искусственные спутники на круговых орбитах.
• Объяснил с помощью закона тяготения движение планет Солнечной системы, океанские приливы и отливы, объединив земную и небесную механику в единую научную картину мира.

Тела падают на Землю потому, что на них непрерывно действует сила притяжения к Земле — сила тяжести.

Если выпустить камень из руки или спрыгнуть с подставки, исчезает удерживающая опора или подвес. Под действием силы тяжести камень приобретает направленное вниз ускорение и падает на землю. По этой же причине брошенный горизонтально или под углом мяч летит по дугообразной криволинейной траектории и опускается на поверхность, а капли дождя, оторвавшись от туч, устремляются вниз.

Сила тяжести — это векторная физическая величина, равная силе, с которой Земля притягивает к себе тело вследствие явления всемирного тяготения.

Основные физические свойства и характеристики силы тяжести:

• Векторное обозначение: обозначается символом $\vec{F}_{\text{тяж}}$.
• Точка приложения: приложена непосредственно к самому телу (к его геометрическому центру тяжести).
• Пространственное направление: направлена строго вертикально вниз — по радиальной линии к центру Земли.
• Зависимость от массы: сила тяжести строго прямо пропорциональна массе тела ($F_{\text{тяж}} \sim m$). Экспериментально установлено: если масса тела возрастает в несколько раз, действующая на него сила тяжести увеличивается во столько же раз.
• Зависимость от расстояния: по мере удаления тела от поверхности Земли сила притяжения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до центра планеты.
• Единица измерения в СИ: измеряется в ньютонах ($\text{Н}$).

Сила тяготения прямо пропорциональна произведению масс взаимодействующих тел:

$$F \sim m_1 \cdot m_2$$

• При увеличении массы одного из тел в несколько раз сила гравитационного притяжения между ними возрастает во столько же раз.
• Если увеличиваются массы обоих тел (например, масса одного в 2 раза, а другого в 4 раза), сила тяготения возрастает в их произведении ($2 \cdot 4 = 8$ раз).

Именно поэтому гравитационное притяжение к Земле огромно и определяет вес всех предметов (масса Земли составляет порядка $6 \cdot 10^{24}\text{ кг}$), в то время как взаимное притяжение между стоящими рядом людьми, мебелью или автомобилями не фиксируется приборами бытового класса и нашими ощущениями, так как массы этих объектов ничтожно малы.

Гравитационными силами (или силами тяготения) называют фундаментальные силы взаимного притяжения, возникающие между любыми телами Вселенной исключительно вследствие наличия у них массы.

Характерные особенности гравитационных сил:

• Универсальность: действуют между абсолютно всеми объектами природы независимо от их химического состава, агрегатного состояния или физических свойств.
• Космический масштаб: гравитационные силы управляют движением планет Солнечной системы, удержанием спутников на орбитах, формированием звезд, галактик и их скоплений.
• Земные проявления: падение тел на Землю, возникновение океанских приливных волн при обращении Луны и Солнца, удержание воздушной атмосферы вокруг планеты.