|
Реферат: Селюэл Финли Бриз Морзе (Физика)
РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ
на
тему:
Сэмюэл Финли Бриз Морзе
/27.04.1791 – 2.04.1872/
Выполнила: ученица 9 «б» класса
Овчинникова
Ю.
Проверил: учитель
физики
Стремилова И. Ю.
Новый Оскол 2002 г.
Морзе родился в 1791 году в Чарльзтауне, штат Массачузетс, в семье
Джедида Морзе, прославленного проповедника в Новой Англии. Морзе был еще
мальчиком в то время, когда умер отчаявшийся Дж. Фитч, когда Оливера Эванса
высмеивали скептики, не желавшие верить глазам своим. Морзе поступил в
Иельский университет в 1807 году, через несколько месяцев после того, как
Фултон совершил первое путешествие в Олбани на борту «Клермонта».
В 1811 году Морзе отправился в Англию изучать живопись у Вашингтона
Олстона. Морзе подавал большие надежды как художник, но его сковывало то
обстоятельство, что он безоговорочно принял на веру модную тогда
интеллектуальную концепцию, будто живопись, посвященная исторической
старине, гораздо выше искусства, отображавшего жизнь современников.
Вернувшись в 1815 году в Америку, Морзе очутился в стране слишком грубой
и неотесанной, слишком занятой и слишком бедной, чтобы признать искусство,
столь далекое от действительности. С другой стороны, Америка 1815 года
любила портретную живопись. Уже в 1817 году Морзе получал шестьдесят
долларов за портрет, а он мог писать четыре портрета в неделю. Он совершил
поездку по Югу и в 1818 году вернулся с тремя тысячами долларов, что
позволило ему жениться на Лукреции Уокер из Конкорда.
С этим капиталом Морзе переехал в Чарльстон, штат Южная Каролина,
забросил портреты и следующие полтора года посвятил работе над огромным
историческим полотном для Палаты представителей в Вашингтоне. Картину
продать не удалось. Деньги кончились, и он снова поехал в Нью-Йорк. В Нью-
Йорке ему заказали большой портрет Лафайета, который совершал в то время
поездку по Америке. Морзе написал два портрета. Во всех портретах работы
Морзе чувствуется талант, но его «Лафайет» был уже творением зрелого и
серьезного мастера. И все же Морзе не был удовлетворен, несмотря на то, что
через несколько лет он был признан вождем молодых американских художников.
В 1829 году он вновь отправился в Европу, чтобы продолжить занятия.
В Америке художники, преданные избранным жанрам, были обречены на
полуголодное существование или же, подобно Пилсу, открывали частные музеи,
где наряду со всякими диковинами выставляли свои полотна. Опыт Пилса
натолкнул Морзе на мысль написать картину, которая заинтересовала бы
Америку, никогда не видевшую ни в подлиннике, ни в копии «Мону Лизу»,
«Тайную вечерю» и другие шедевры мирового искусства. Он написал картину
«Лувр», на заднем плане которой изобразил столько шедевров, сколько могло
вместить полотно. В 1832 году Морзе, преисполненный надежд, упаковал холсты
и вернулся в Америку на пакетботе «Сэлли». Он взошел на борт «Селли»
художником, а высадился на берег изобретателем.
На борту зашел разговор о европейских опытах по электромагнетизму.
Незадолго до того была опубликована книга Фарадея, а его опыты повторялись
во многих европейских лабораториях. «Извлечение искр из магнита» было одним
из чудес того времени. Морзе тут же высказал предположение, что сочетание
искр может быть использовано как код для передачи сообщений по проводам.
Эта идея захватила его, несмотря на то, что ему были почти неизвестны даже
самые основные правила электричества. Морзе в то время твердо верил, что
американцы могут добиться чего угодно, стоит только крепко взяться за дело.
Что из того, что нет специальных знаний и подготовки (бог вразумит!).
Двадцать лет он потратил на изучение живописи; тем не менее ему и в голову
не приходило, что карьера изобретателя-электрика тоже требует подготовки.
[pic]
Наброски, сделанные Морзе на «Сэлли», демонстрируют его мысль об
использовании импульсов электрического тока для приведения ч движение пера.
На них видно также, что он не знал, каким образом из батареи получается
ток.
Долгое время телеграфное приемное устройство
представляло собой печатный прибор. Даже после того, как Вейл упростил
систему, на бумагу наносились точки и тире при помощи пера, приводимого в
действие перевернутым подковообразным магнитом.
В следующем голу он был назначен на пост профессора живописи и рисования
в только что открытом Нью-йоркском университете, созданном силами таких
просвещенных умов Нью-Йорка, как Фенимор Купер, Вашингтон Ирвинг и другие.
Морзе получал небольшое жалованье, на которое, однако, можно было прожить.
Он вернулся к работе над электромагнитным телеграфом.
В его распоряжении было несколько гальванических батарей, железных
стержней и проволока. Он соединил их по схеме, которую сам начертил, и
замкнул цепь. Никакого результата! Он сделал несколько переключений. Снова
ничего! Много дней он безрезультатно бился над установкой. Наконец,
отчаявшись, он обратился за помощью к коллеге с химического факультета
Леонарду Гейлу. Гейл взглянул на беспомощную конструкцию Морзе и сжалился
над ним. Морзе от кого-то слышал, что для того, чтобы сделать
электромагнит, нужно обмотать проволокой подковообразный кусок железа.
Гейл, который был знаком с работами Генри, объяснил Морзе, что обмотка
сделана как попало, без всякой изоляции. Он показал Морзе, как производится
намотка и как включать батарею в такую цепь. И тогда, наконец, аппарат
Морзе подал признаки жизни.
Ранние проекты телеграфа Морзе были весьма наивны и чрезвычайно сложны.
Принцип был тот же, что у Генри. Оператор замыкал и размыкал
электрическую цепь, так что серия электромагнитных импульсов посылалась по
двум проводам к приемному устройству. Поздние модели телеграфа снабжались
сигнальным ключом, при помощи которого замыкалась и размыкалась цепь.
Морзе использовал в своей цепи только одну батарею, и поэтому он мог
послать разборчивое сообщение лишь на короткое расстояние. Чем длиннее
провод, тем больше его сопротивление. Морзе с помощью Гейла постепенно
довел длину провода от двадцати футов до ста, а спустя некоторое время до
тысячи, но это была предельная длина.
Среди приглашенных в зале присутствовал преуспевающий промышленник из Нью-
Джерси Стефен Вейл, который согласился пожертвовать 2 тысячи долларов и
предоставить помещение для опытов при условии, что Морзе возьмет в
помощники его сына Альфреда. Морзе согласился, и это был самый удачный шаг
в его жизни. Альфред Вейл обладал не только настоящей изобретательностью,
но и острым практическим чутьем. В течение последующих лет Вейл во многом
способствовал разработке окончательной формы азбуки Морзе, введению
телеграфного ключа вместо соединительного стержня и уменьшению размеров
аппарата до компактной модели, которая стала общепринятой. Он изобрел также
печатающий телеграф, который был запатентован на имя Морзе, в соответствии
с. условиями контракта Вейла и Морзе.
Вскоре после встречи с Вейлом Морзе узнал о том, что правительство
предложило материальную помощь изобретателю, который сможет соединить
телеграфной связью все побережье. В декабре 1837 года он обратился за
помощью к конгрессу. На председателя сенатского Комитета по делам коммерции
Фрэнсиса О. Дж. Смита демонстрация аппарата Морзе произвела такое
впечатление, что он оставил свой пост и стал партнером Морзе. Смит был
нечистоплотным дельцом. Его дар публичной риторики и склонность к
двурушничеству доставляли неприятности Морзе.
Паника 1837 года заставила правительство отказаться от всяких субсидий.
Смит отослал Морзе в Европу, чтобы получить там патенты на изобретение. В
Англии Морзе сказали, что Уитстон уже изобрел электромагнитный телеграф, в
чем он может убедиться, заглянув в ближайшую почтовую контору. На
континенте Морзе стало известно, что электромагнитый телеграф уже изобрел
Стейнхейл: «Можете пойти на ближайшую железнодорожную станцию и убедиться в
этом!» Находясь во Франции, Морзе подружился с другим неудачливым
изобретателем Дагерром, который с не меньшим трудом, чем Морзе, пытался
получить патент на открытый им способ фотографии. Товарищи по несчастью,
они условились, что каждый из них будет отстаивать интересы другого в своей
стране. В России Морзе узнал, что барон Шиллинг, русский посол в Австрии,
изобрел электромагнитный телеграф еще в 1825 году, но сама идея мгновенного
сообщения между людьми в дальних концах страны показалась царю настолько
крамольной, что он запретил даже упоминать об этом изобретении в печати.
Морзе поспешил обратно в Америку с тяжелым сердцем.
Смит отправился в Вашингтон. Ни одна из иностранных систем телеграфа не
была такой простой и удачной, как аппарат Морзе. Поэтому изобретатель не
оставлял надежды, хотя его положение никогда не было столь отчаянным. Он
решил немного подработать. С этой целью, помимо занятий живописью, он
открыл маленькую студию фотографии по способу Дагерра. Но и это предприятие
потерпело крах.
Вейл покинул Нью-Йорк и учительствовал где-то на Юге. Морзе в конце
концов поехал в Принстон посоветоваться с Джозефом Генри.
Самого Генри не занимала разработка деталей электромагнитного телеграфа.
После того как он изобрел реле, основная проблема была решена. И Генри
занялся более волнующим и интересным исследованием. Он знал, что рано или
поздно появится человек достаточно целеустремленный, чтобы довести работу
до конца. Морзе показался ему именно таким человеком.
Генри понравилась одержимость Морзе, и он был готов помочь ему. Он
терпеливо объяснил Морэе его ошибки и указал, что одна батарея, независимо
от ее мощности, может послать электрический сигнал лишь на ограниченное
расстояние.
Реле, изобретенное Генри шесть лет назад, могло разрешить проблему, перед
которой стоял Морзе.
Цепь передатчика не соединялась непосредственно с приемным устройством.
Вместо приемного устройства в цепь включался подковообразный сердечник из
мягкого железа, обмотанный проводом. Между полюсами электромагнита
помещался якорь. Когда оператор замыкал и размыкал цепь, посылая
электрические импульсы через обмотку магнита, якорь притягивался к магниту
или отходил от него. Якорь, в свою очередь, замыкал другую электрическую
цепь с собственной батареей и электромагнитом, действовавшую точно так же,
как первая цепь. Вторая цепь управляла третьей независимой электрической
цепью. Таким образом можно было собрать бесконечную гирлянду электрических
цепей. В каждой цепи был свой источник тока и реле.
Правительственную субсидию в тридцать тыс. долларов Морзе мог получить
при условии, будет установлена первая пробная линия протяженностью в 40
миль. Смит вознаградил его тем, что взял контракт на постройку. Морзе решил
сделать подземную линию, проложив сложное устройство в свинцовой трубе.
кенер Эзра Корнелл сконструировал специальный плуг, который одновременно
рыл, укладывал кабель и закапывал траншею.
Смит истратил почти двадцать тысяч долларовов на первые несколько миль.
Корнелл по собственной инициативе подверг испытанию уже уложенный кабель и
обнаружил, что линия парализована множеством коротких замыканий. Оказалось,
что Смит решил не тратить драгоценных долларов на такую «безделицу», как
изоляция.
Корнелл предложил подвешивать оголенные провода на столбах и таким
образом обеспечить быструю и дешевую телеграфную связь с Балтимором и
избежать скандала. Но Морзе обуяла паника. Он снова отправился за
консультацией к Генри. Генри поддержал Корнелла, и вся линия была подвешена
на деревьях и столбах, причем в качестве изоляторов применялись горлышки
бутылок. Прокладка была завершена, когда в Балтиморе собралась конвенция
партии вигов для выдвижения кандидата в президенты.
Вейл отправился в Балтимор. Ему было поручено сразу же сообщить Морзе в
Вашингтон обо всех событиях, происходящих на съезде.
Политики, спешившие из Балтимора в столицу со срочными сообщениями,
узнавали, что новости опередили курьерские поезда. Человек по имени Морзе
говорил из Вашингтона с Балтимором по проводам.
Морзе попросили установить аппарат в зале Верховного суда в Капитолии.
Там собралась толпа правительственных чиновников, судей и конгрессменов.
Через несколько недель в Балтиморе собрался съезд демократической партии, и
Морзе посылал свои телеграфные корреспонденции в газеты. Но после этого
интерес публики к его изобретению остыл. Правительство ассигновало 8 тысяч
долларов в год на поддержание телеграфной линии и передало телеграф в
ведение почтового ведомства. Но в 1845 году вспыхнувшие в Мексике
беспорядки заслонили от правительства все остальное. Снова Морзе постигло
глубокое разочарование. Он не хотел отдавать телеграф в руки частных
владельцев. Подобно многим современникам, он боялся, что частные владельцы
в своих интересах будут произвольно искажать и даже скрывать важные
известия.
Будучи единственным хозяином телеграфа, Морзе со своими партнерами создал
«Магнетик телеграф компани» для прокладки линии между Нью-Йорком и
Филадельфией. Компания являлась частным акционерным обществом.
К тому времени Морзе порвал с Вейлом и большинством других своих
помощников.
Действительным организатором строительства линии от морского побережья до
Миссисипи стал некий делец 0'Рейли. Он был полным невеждой в вопросах
телеграфа и техники, но зато умел торговать акциями. Каждый отрезок линии
между двумя городами считался отдельным предприятием. Как искусный
полководец. 0'Рейли высылал вперед гонцов, извещавших о приближении
«Говорящей молнии». Он собирал дань с такой же быстротой, как и тянул
провода. Менее чем за два года он протянул тысячи миль проводов во всех
направлениях, создав такое множество акционерных компаний, что владельцы
патента буквально сбивались со счета.
Газеты быстро убедились в преимуществах телеграфа, и «Ассошиэйтед пресс»
создало собственную телеграфную службу. К 1848 году в маленьких селениях
жители читали последние известии о войне в Мексике, только что переданные
по «Говорящей молнии». Вскоре телеграф стали применять на железных дорогах
для сигнализации, связи и блокировки. Владельцы товарных составов со
скотом, предназначенным для экспорта, приближаясь к Нью-Йорку, по телеграфу
предупреждали капитана судна о количестве голов. Он мог в соответствии с
этим подготовить палубы для приема скота, и погрузка занимала не более
получаса. Долгое время все телеграммы начинались с обращения «Дорогой сэр»
и оканчивались словами «С глубоким уважением».
Первые линии постоянно выходили из строя в плохую погоду. Однажды было
обнаружено сто семьдесят обрывов на протяжении тридцати миль. Медная
проволока после испытания была отвергнута и заменена железной, а потом ее
вытеснил плетеный кабель. Монтеры, следившие за линией, не знали покоя. им
противостояли не только силы природы, но и разгневанные фермеры, норовившие
оборвать линию, потому что их раздражал гул в проводах.
Только в 1856 году, когда Хирам Сибли организовал компанию «Вестерн
Юнион», удалось навести кое-какой порядок. Возникали все новые и новые
линии, и Морзе каждый раз платили за использование патента. Кончились дни
лишений. Он провел старость в богатстве и славе. Морзе неоднократно судился
с конкурентами и неизменно выигрывал дела, хотя однажды ради этого ему
пришлось отрицать даже то, что он в свое время пользовался ценной помощью
Джозефа Генри.
[pic]
Реферат на тему: Сила Земного притяжения
Много тысячелетий назад люди наверняка замечали, что большая часть
предметов падает все быстрее и быстрее, а некоторые падают равномерно. Но
как именно падают эти предметы - этот вопрос никого не занимал. Откуда у
первобытных людей должно было появиться стремление выяснить, как или
почему? Если они вообще размышляли над причинами или объяснениями, то
суеверный трепет сразу же заставлял их думать о добрых и злых духах. Мы
легко представляем, что эти люди с их полной опасности жизнью считали
большую часть обычных явлений «хорошими», а необычные - «плохими».
Все люди в своем развитии проходят много ступеней познания: от бессмыслицы
суеверий до научного мышления. Сначала люди проделывали опыты с двумя
предметами. Например брали два камня, и давали возможность им свободно
падать, выпустив их из рук одновременно. Затем снова бросали два камня, но
уже в стороны по горизонтали. Потом бросали один камень в сторону, и в тот
же момент выпускали из рук второй, но так, чтобы он просто падал по
вертикали. Люди извлекли из таких опытов много сведений о природе.
Рис.1
По мере своего развития человечество приобретало не только знания, но и
предрассудки. Профессиональные секреты и традиции ремесленников уступили
место организованному познанию природы, которое шло от авторитетов и
сохранилось в признанных печатных трудах.
Это было началом настоящей науки. Люди экспериментировали повседневно,
изучая ремесла или создавая новые машины. Из опытов с падающими телами люди
установили, что маленький и большой камни, выпущенные из рук одновременно,
падают с одинаковой скоростью. То же самое можно сказать о кусках свинца,
золота, железа, стекла, и т.д. самых разных размеров. Из подобных опытов
выводиться простое общее правило: свободное падение всех тел происходит
одинаково независимо от размера и материала, из которого тела сделаны.
Между наблюдением за причинной связью явлений и тщательно выполненными
экспериментами, вероятно, долго существовал разрыв. Интерес к движению
свободно падающих и брошенных тел возрастал вместе с усовершенствованием
оружия. Применение копий, стрел, катапульты и еще более замысловатых
«орудий войны» позволило получить примитивные и туманные сведения из
области баллистики, но они принимали форму скорее рабочих правил
ремесленников, нежели научных познаний, - это были не сформулированные
представления.
Две тысячи лет назад греки формулировали правила свободного падения тел и
дали им объяснения, но эти правила и объяснения были малообоснованны.
Некоторые древние ученые, по-видимому, проводили вполне разумные опыты с
падающими телами, но использование в средние века античных представлений,
предложенных Аристотелем (примерно 340 г. до н.э.), скорее запутало вопрос.
И эта путанница длилась еще много столетий. Применение пороха значительно
повысило интерес к движению тел. Но лишь Галилей (примерно в 1600 г.)
заново изложил основы баллистики в виде четких правил, согласующихся с
практикой.
Великий греческий философ и ученый Аристотель, по-видимому придерживался
распространенного представления о том, что тяжелые тела падают быстрее, чем
легкие. Аристотель и его последователи стремились объяснить, почему
происходят те или иные явления, но не всегда заботились о том, чтобы
пронаблюдать, что происходит и как происходит. Аристотель весьма просто
объяснил причины падения тел: он говорил, что тела стремятся найти свое
естественное место на поверхности Земли. Описывая, как падают тела, он
высказал утверждения вроде следующих: «...точно также, как направленное
вниз движение куска свинца или золота или любого другого тела, наделенного
весом, происходит тем быстрее, чем больше его размер...», «...одно тело
тяжелее другого, имеющего тот же объем, но движущегося вниз быстрее...».
Аристотель знал, что камни падают быстрее, чем птичьи перья, а куски дерева
- быстрее, чем опилки.
В XIV столетии группа философов из Парижа восстала против теории Аристотеля
и предложила значительно более разумную схему, которая передавалась из
поколения в поколение и распространилась до Италии, оказав двумя столетиями
позднее влияние на Галилея. Парижские философы говорили об ускоренном
движении и даже о постоянном ускорении, объясняя эти понятия архаичным
языком.
Великий итальянский ученый Галилео Галилей обобщил имеющиеся сведения и
представления и критически их проанализировал, а затем описал и начал
распространять то, что считал верным. Галилей понимал, что последователей
Аристотеля сбивало с толку сопротивление воздуха. Он указал, что плотные
предметы, для которых сопротивление воздуха несущественно, падают почти с
одинаковой скоростью. Галилей писал: «...различие в скорости движения в
воздухе шаров из золота, свинца, меди, порфира и других тяжелых материалов
настолько незначительно, что шар из золота при свободном падении на
расстоянии в одну сотню локтей наверняка опередил бы шар из меди не более
чем на четыре пальца. Сделав это наблюдение, я пришел к заключению, что в
среде, полностью лишенной всякого сопротивления, все тела падали бы с
одинаковой скоростью». Предположив, что произошло бы в случае свободного
падения тел в вакууме, Галилей вывел следующие законы падения тел для
идеального случая:
1. Все тела при падении движутся одинаково: начав падать одновременно,
они движутся с одинаковой скоростью
2. Движение происходит с «постоянным ускорением»; темп увеличения
скорости тела не меняется, т.е. за каждую последующую секунду
скорость тела возрастает на одну и ту же величину.
Существует легенда, будто Галилей проделал большой демонстрационный
опыт, бросая легкие и тяжелые предметы с вершины Пизанской падающей башни
(одни говорят, что он бросал стальные и деревянные шары, а другие
утверждают, будто это были железные шары весом 0,5 и 50 кг). Описаний
такого публичного опыта нет, и Галилей, несомненно, не стал таким способом
демонстрировать свое правило. Галилей знал, что деревянный шар намного
отстал бы при падении от железного, но считал, что для демонстрации
различной скорости падения двух неодинаковых железных шаров потребовалась
бы более высокая башня.
Итак, мелкие камни слегка отстают в падении от крупных, и разница
становится тем более заметной, чем большее растояние пролетают камни. И
дело тут не просто в размере тел: деревянный и стальной шары одинакового
размера падают не строго одинаково. Галилей знал, что простому описанию
падения тел мешает сопротивление воздуха. Обнаружив, что по мере увеличения
размеров тел или плотности материала, из которого они сделаны, движение тел
оказывается более одинаковым, можно на основе некоторого предположения
сформулировать правило и для идеального случая. Можно было бы попытаться
уменьшить сопротивление воздуха, используя обтекание такого предмета, как
лист бумаги, например.
Но Галилей мог лишь уменьшить его и не мог устранить его полностью.
Поэтому ему пришлось вести доказательство, переходя от реальных наблюдений
к постоянно уменьшающимся сопротивлением воздуха к идеальному случаю, когда
сопротивление воздуха отсутствует. Позже, оглядываясь назад, он смог
объяснить различия в реальных экспериментах, приписав их сопротивлению
воздуха.
Вскоре после Галилея были созданы воздушные насосы, которые позволили
произвести эксперименты со свободным падением в вакууме. С этой целью
Ньютон выкачал воздух из длинной стеклянной трубки и бросил сверху
одновременно птичье перо и золотую монету. Даже столь сильно различающиеся
по своей плотности тела падали с одинаковой скоростью. Именно этот опыт дал
решающую проверку предположения Галилея. Опыты и рассуждения Галилея
привели к простому правилу, точно справедливому в случае свободного падения
тел в вакууме. Это правило в случае свободного падения тел в воздухе
выполняется с ограниченной точностью. Поэтому верить в него, как в
идеальный случай нельзя. Для полного изучения свободного падения тел
необходимо знать, какие при падении происходят изменения температуры,
давления, и др., то есть исследовать и другие стороны этого явления. Но
такие исследования были бы запутанными и сложными, заметить их взаимосвязь
было бы трудно, поэтому так часто в физике приходится довольствоваться лишь
тем, что правило представляет собой некое упрощение единого закона.
Итак, еще ученые Средневековья и Возрождения знали о том, что без
сопротивления воздуха тело любой массы падает с одинаковой высоты за одно и
тоже время, Галилей не только проверил опытом и отстаивал это утверждение,
но и установил вид движения тела, падающего по вертикали: «...говорят, что
естественное движение падающего тела непрерывно ускоряется. Однако, в каком
отношении происходит, до сих пор не было указано; насколько я знаю, никто
еще не доказал, что пространства, проходимые падающим телом в одинаковые
промежутки времени, относятся между собою, как последовательные нечетные
числа». Так Галлилей установил признак равноускоренного движения:
S1:S2:S3: ... = 1:2:3: ... (при V0 = 0)
Таким образом, можно предположить, что свободное падение есть
равноускоренное движение. Так как для равноускоренного движения перемещение
рассчитывается по формуле [pic], то если взять три некоторые точки 1,2,3
через которые проходит тело при падении и записать:
[pic] [pic] [pic] (ускорение при свободном падении для всех тел
одинаково), получится, что отношение перемещений при равноускоренном
движении равно:
S1:S2:S3 = t12:t22:t32
Это еще один важный признак равноускоренного движения, а значит и
свободного падения тел.
Ускорение свободного падения можно измерить. Если принять, что ускорение
постоянно, то его довольно легко измерить, определив промежуток времени, за
который тело проходит известный отрезок пути и, воспользовавшись опять же
соотношением [pic]. Отсюда a=2S/t2. Постоянное ускорение свободного падения
обозначают символом g. Ускорение свободного падения знаменито тем, что оно
не зависит от массы падающего тела. Действительно, если вспомнить опыт
знаменитого английского ученого Ньютона с птичьим пером и золотой монетой,
то можно сказать, что они падают с одинаковым ускорением, хотя у них разные
массы.
Измерения дают значение g, равное 9,8156 м/с2.
Вектор ускорения свободного падения всегда направлен по вертикали вниз,
вдоль отвесной линии в данном месте Земли.
И все же: почему тела падают? Можно сказать, вследствие гравитации или
земного притяжения. Ведь слово «гравитация» латинского происхождения и
означает «тяжелый» или «весомый». Можно сказать, что тела падают потому,
что они весят. Но тогда почему тела весят? И ответить можно так: потому,
что Земля притягивает их. И, действительно, все знают, что Земля
притягивает тела, потому, что они падают. Да, физика не дает объяснения
тяготению, Земля притягивает тела потому, что так устроена природа. Однако,
физика может сообщить много интересного и полезного о земном тяготении.
Исаак Ньютон (1643-1727) изучил движение небесных тел - планет и Луны. Его
не раз интересовала природа силы, которая должна действовать на Луну, чтобы
при движении вокруг земли она удерживалась на почти круговой орбите. Ньютон
также задумывался над несвязанной, казалось бы, с этим проблемой
гравитации. Поскольку падающие тела ускоряются, Ньютон заключил, что на них
действует сила, которую можно назвать силой тяготения или гравитации. Но
что вызывает эту силу тяготения? Ведь если на тело действует сила, значит
она вызывается со стороны какого-либо другого тела. Любое тело на
поверхности Земли испытывает действие этой силы тяготения, и где бы тело ни
находилось, сила, действующая на него направлена к центру Земли. Ньютон
заключил, что сама Земля создает силу тяготения, действующую на тела,
находящиеся на ее поверхности.
История открытия Ньютоном закона всемирного тяготения достаточно известна.
По легенде, Ньютон сидел в своем саду и обратил внимание на падающее с
дерева яблоко. У него неожиданно возникла догадка о том, что если сила
тяготения действует на вершине дерева и даже на вершине гор, то, возможно,
она действует и на любом расстоянии. Так мысль о том, что именно притяжение
Земли удерживает Луну на ее орбите, послужила Ньютону основой, с которой он
начал построение своей великой теории гравитации.
Впервые мысль о том, что природа сил, заставляющих падать камень и
определяющих движение небесных тел, - одна и та же, возникла еще у Ньютона-
студента. Но первые вычисления не дали правильных результатов потому, что
имевшиеся в то время данные о расстоянии от Земли до Луны были неточными.
16 лет спустя появились новые, исправленные сведения об этом расстоянии.
После того, как были проведены новые расчеты, охватившие движение Луны,
всех открытых к тому времени планет солнечной системы, комет, приливы и
отливы, теория была опубликована.
Многие историки науки в настоящее время считают, что Ньютон выдумал эту
историю для того, чтобы отодвинуть дату открытия к 60-м годам 17 века,
тогда как его переписка и дневники указывают на то, что по-настоящему он
пришел к закону всемирного тяготения лишь около 1685 г.
Ньютон начал с определения величины гравитационного взаимодействия, с
которым Земля действует на Луну путем сравнения ее с величиной силы,
действующей на тела на поверхности Земли. На поверхности Земли сила
тяготения придает телам ускорение g = 9,8м/с2. Но чему равно
центростремительное ускорение Луны? Так как Луна движется по окружности
почти равномерно, ее ускорение может быть рассчитано по формуле:
a = (2/r
Путем измерений можно найти это ускорение. Оно равно
2,73*10-3м/с2. Если выразить это ускорение через ускорение свободного
падения g вблизи поверхности Земли, то получим:
[pic]
Таким образом, ускорение Луны, направленное к Земле, составляет 1/3600
ускорения тел вблизи поверхности Земли. Луна удалена от Земли на 385000 км,
что превышает приблизительно в 60 раз радиус Земли, равный 6380 км. Значит
Луна в 60 раз дальше от центра Земли, чем тела, находящиеся на поверхности
Земли. Но 60*60 = 3600! Из этого Ньютон сделал вывод, что сила тяготения,
действующая со стороны Земли на любые тела уменьшается обратно
пропорционально квадрату их расстояния от центра Земли:
Сила тяготения ( 1/r2
Луна, удаленная на 60 земных радиусов, испытывает силу гравитационного
притяжения, составляющую всего лишь 1/602 = 1/3600 той силы, которую она
испытывала бы, если бы находилась на поверхности Земли. Любое тело,
помещенное на расстоянии 385000 км от Земли, благодаря притяжению Земли
приобретает то же ускорение, что и Луна, а именно 2,73*10-3 м/с2.
Ньютон понимал, что сила тяготения зависит не только от расстояния до
притягиваемого тела, но и от его массы. Действительно, сила тяготения прямо
пропорциональна массе притягиваемого тела, согласно второму закону Ньютона.
Из третьего закона Ньютона видно, что когда Земля действует силой тяготения
на другое тело (например, Луну), это тело, в свою очередь, действует на
Землю с равной по величине и противоположно направленной силой:
Рис. 2
Благодаря этому Ньютон предположил, что величина силы тяготения
пропорциональна обеим массам. Таким образом:
[pic]
где m3 - масса Земли, mT - масса другого тела, r - расстояние от центра
Земли до центра тела.
Продолжая изучение гравитации, Ньютон продвинулся еще на шаг вперед. Он
определил, что сила, необходимая для удержания различных планет на их
орбитах вокруг Солнца, убывает обратно пропорционально квадрату их
расстояний от Солнца. Это привело его к мысли о том, что сила, действующая
между Солнцем и каждой из планет и удерживающая их на орбитах, также
является силой гравитационного взаимодействия. Также он предположил, что
природа силы, удерживающей планеты на их орбитах, тождественна природе силы
тяжести, действующей на все тела у земной поверхности (о силе тяжести мы
поговорим позже). Проверка подтвердила предположение о единой природе этих
сил. Тогда если гравитационное воздействие существует между этими телами,
то почему бы ему не существовать между всеми телами? Таким образом Ньютон
пришел к своему знаменитому Закону всемирного тяготения, который можно
сформулировать так:
Каждая частица во Вселенной притягивает любую другую частицу с силой,
прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной
квадрату расстояния между ними. Эта сила действует вдоль линии,
соединяющей эти две частицы.
Величина этой силы может быть записана в виде:
где и - массы двух частиц, -
расстояние между ними, а - гравитационная постоянная, которая
может быть измерена экспериментально и для всех тел имеет одно и то же
численное значение.
Это выражение определяет величину силы тяготения, с которой одна
частица действует на другую, находящуюся от нее на расстоянии
. Для двух не точечных, но однородных тел это выражение правильно описывает
взаимодействие, если - расстояние между центрами тел. Кроме того,
если протяженные тела малы по сравнению с расстояниями между ними, то мы не
намного ошибемся, если будем рассматривать тела как точечные частицы (как
это имеет место для системы Земля - Солнце).
Если нужно рассмотреть силу гравитационного притяжения, действующую
на данную частицу со стороны двух или нескольких других частиц, например
силу, действующую на Луну со стороны Земли и Солнца, то необходимо для
каждой пары взаимодействующих частиц воспользоваться формулой закона
всемирного тяготения, после чего векторно сложить силы, действующие на
частицу.
Величина постоянной должна быть очень мала, так как мы не
замечаем никакой силы, действующей между телами обычных размеров. Сила,
действующая между двумя телами обычных размеров, впервые была измерена в
1798г. Генри Кавендишем - через 100 лет после того, как Ньютон опубликовал
свой закон. Для обнаружения и измерения столь невероятно малой силы он
использовал установку, показанную на рис. 3.
Два шарика закреплены на концах легкого горизонтального стержня,
подвешенного за середину к тонкой нити. Когда шар, обозначенный буквой А,
подносят близко к одному из подвешенных шаров, сила гравитационного
притяжения заставляет закрепленный на стержне шар сдвинуться, что приводит
к небольшому закручиванию нити. Это незначительное смещение измеряется с
помощью узкого пучка света, направленного на зеркало, укрепленное на нити
так, что отраженный пучок света падает на шкалу. Проделанные ранее
измерения закручивания нити под действием известных сил позволяют
определить величину силы гравитационного взаимодействия, действующей между
двумя телами. Прибор такого типа применение в конструкции измерителя силы
тяжести, с помощью которого можно измерить весьма небольшие изменения силы
тяжести вблизи горной породы, отличающейся по плотности от соседних пород.
Этот прибор используется геологами для исследований земной коры и разведки
геологических особенностей, указывающих на месторождение нефти. В одном из
вариантов прибора Кавендиша два шарика подвешиваются на разной высоте.
Тогда они будут по разному притягиваться близким к поверхности
месторождением плотной горной породы; поэтому планка при надлежащей
ориентации относительно месторождения будет слегка поворачиваться.
Разведчики нефти заменяют теперь эти измерители силы тяжести инструментами,
непосредственно измеряющими небольшие изменения величины ускорения силы
тяжести g о которых будет сказано позже.
Кавендиш не только подтвердил гипотезу Ньютона о том, что тела
притягивают друг друга и формула правильно
описывает эту силу. Поскольку Кавендиш мог с хорошей точностью измерить
величины , ему удалось также рассчитать
величину постоянной . В настоящее время принято считать, что
эта постоянная равна
Схема одного из опытов по измерению показана на рис.4.
К концам коромысла весов подвешены два шарика одинаковой массы. Один из них
находится над свинцовой плитой, другой - под ней. Свинец (для опыта взято
100 кг свинца) увеличивает своим притяжением вес правого шарика и уменьшает
вес левого. Правый шарик перевешивает левый. По величине отклонения
коромысла весов вычисляется значение .
Открытие закона всемирного тяготения по праву считается одним из
величайших триумфов науки. И, связывая этот триумф с именем Ньютона,
невольно хочется спросить, почему именно этому гениальному
естествоиспытателю, а не Галилею, например, открывшему законы свободного
падения тел, не Роберту Гуку или кому-либо из других замечательных
предшественников или современников Ньютона удалось сделать это открытие?
Дело здесь не в простой случайности и не в падающих яблоках. Главным
определяющим было то, что в руках Ньютона были открытые им законы,
применимые к описанию любых движений. Именно эти законы, законы механики
Ньютона, позволили с полной очевидностью понять, что основой, определяющей
особенности движения, являются силы. Ньютон был первым, кто абсолютно ясно
понимал, что именно нужно искать для объяснения движения планет, - искать
нужно было силы и только силы. Одно из самых замечательных свойств сил
всемирного тяготения, или, как их часто называют, гравитационных сил,
отражено уже в самом названии, данном Ньютоном: всемирные. Все, что имеет
массу - а масса присуща любой форме, любому виду материи, - должно
испытывать гравитационные взаимодействия. При этом загородиться от
гравитационных сил невозможно. Для всемирного тяготения нет преград. Всегда
можно поставить непреодолимый барьер для электрического, магнитного поля.
Но гравитационное взаимодействие свободно передается через любые тела.
Экраны из особых веществ, непроницаемых для гравитации, могут существовать
только в воображении авторов научно-фантастических книг.
Итак, гравитационные силы вездесущи и всепроникающи. Почему же мы не
ощущаем притяжения большинства тел? Если подсчитать, какую долю от
притяжения Земли составляет, например, притяжение Эвереста, то окажется,
что лишь тысячные доли процента. Сила же взаимного притяжения двух людей
среднего веса при расстоянии между ними в один метр не превышает трех сотых
миллиграмма. Так слабы гравитационные силы. Тот факт, что гравитационные
силы, вообще говоря гораздо слабее электрических, вызывает своеобразное
разделение сфер влияния этих сил. Например, подсчитав, что в атомах
гравитационное притяжение электронов к ядру слабее, чем электрическое в
раз, легко понять, что процессы внутри атома определяются
практически одними лишь электрическими силами. Гравитационные силы
становятся ощутимыми, а порой и грандиозными, когда во взаимодействии
фигурируют такие огромные массы, как массы космических тел: планет, звезд и
т.д. Так, Земля и Луна притягиваются с силой примерно в 20 000 000 000 000
000 тонн. Даже такие далекие от нас звезды, свет которых годы идет от
Земли, притягиваются с нашей планетой с силой, выражающейся внушительной
цифрой, - это сотни миллионов тонн.
Взаимное притяжение двух тел убывает по мере их удаления друг от
друга. Мысленно проделаем такой опыт: будем измерять силу, с которой Земля
притягивает какое-либо тело, например, двадцатикилограммовую гирю. Первый
опыт пусть соответствует таким условиям, когда гиря помещена на очень
большом расстоянии от Земли. В этих условиях сила притяжения (которую можно
измерять с помощью самых обыкновенных пружинных весов) практически будет
равна нулю. По мере приближения к Земле появится и будет постепенно
возрастать взаимное притяжение, и, наконец, когда гиря окажется на
поверхности Земли стрелка пружинных весов остановится на делении «20
килограммов», поскольку то, что мы называем весом, отвлекаясь от вращения
земли, есть ни что иное, как сила, с которой Земля притягивает тела,
расположенные на ее поверхности(см. ниже). Если же продолжить эксперимент и
опустить гирю в глубокую шахту, это уменьшит действующую на гирю силу. Это
видно хотя бы из того, что если гирю поместить в центр земли, притяжение со
всех сторон взаимно уравновесится и стрелка пружинных весов остановится
точно на нуле.
Итак, нельзя просто сказать, что гравитационные силы убывают с
увеличением расстояния - нужно всегда оговаривать, что сами эти расстояния
при такой формулировке принимаются много большими, чем размеры тел. Именно
в этом случае прав сформулированный Ньютоном закон о том, что силы
всемирного тяготения убывают обратно пропорционально квадрату расстояния
между притягивающимися телами. Однако остается неясным, что это - быстрое
или не очень быстрое изменение с расстоянием? Означает ли такой закон, что
взаимодействие практически ощущается лишь между ближайшими соседями, или же
оно заметно и на достаточно больших расстояниях?
Сравним закон убывания с расстоянием гравитационных сил с законом, по
которому уменьшается освещенность по мере удаления от источника. Как в
одном, так и в другом случае действует один и тот же закон - обратная
пропорциональность квадрату расстояния. Но ведь мы видим звезды,
находящиеся от нас на таких огромных расстояниях, пройти которые даже
световой луч, не имеющий соперников в скорости, может лишь за миллиарды
лет. А ведь если до нас доходит свет от этих звезд, значит должно, хотя бы
очень слабо, чувствоваться их притяжение. Следовательно, действие сил
всемирного тяготения простирается, непременно убывая, практически на
неограниченные расстояния. Радиус их действия равен бесконечности.
Гравитационные силы - это дальнодействующие силы. Вследствие дальнодействия
гравитация связывает все тела во вселенной.
Относительная медленность убывания сил с расстоянием на каждом
шагу проявляются в наших земных условиях: ведь все тела, будучи
перемещенными с одной высоты на другую, меняют свой вес крайне
незначительно. Именно потому, что при относительно малом изменении
расстояния - в данном случае до центра Земли - гравитационные силы
практически не изменяются.
Высоты, на которых движутся искусственные спутники, уже сравнимы
с радиусом Земли, так что для расчета их траектории учет изменения силы
земного притяжения с увеличением расстояния совершенно необходим.
Итак, Галилей утверждал, что все тела, отпущенные с некоторой высоты
вблизи поверхности Земли будут падать с одинаковым ускорением g (если
пренебречь сопротивлением воздуха). Сила, вызывающая это ускорение
называется силой тяжести. Применим к силе тяжести второй закон Ньютона,
рассматривая в качестве ускорения a ускорение свободного падения g. Таким
образом, действующую на тело силу тяжести можно записать как:
Fg=mg
Эта сила направлена вниз, к центру Земли.
Т.к. в системе СИ g = 9,8, то сила тяжести, действующая на тело массой
1кг, составляет .
Применим формулу закона всемирного тяготения для описания силы тяжести
- силы тяготения между землей и телом, находящимся на ее поверхности. Тогда
m1 заменится на массу Земли m3 , а r - на расстояние до центра Земли, т.е.
на радиус Земли r3. Таким образом получим:
Где m - масса тела, находящегося на поверхности Земли. Из этого
равенства следует, что:
Иными словами ускорение свободного падения на поверхности земли g
определяется величинами m3 и r3.
На Луне, на других планетах, или в космическом пространстве сила
тяжести, действующая на тело одинаковой массы, будет различна. Например, на
Луне величина g представляет всего лишь одну шестую g на Земле, и на тело
массой 1 кг действует сила тяжести, равная всего лишь 1,7 Н.
До тех пор, пока не была измерена гравитационная постоянная G, масса
Земли оставалась неизвестной. И только после того, как G была измерена, с
помощью соотношения удалось вычислить массу земли. Это впервые проделал сам
Генри Кавендиш. Подставляя в формулу ускорение свободного падения значение
g=9,8м/с и радиуса земли rз=6,38(106 получаем следующее значение массы
Земли:
Для силы тяготения, действующей на тела, находящиеся вблизи
поверхности Земли, можно просто пользоваться выражением mg. Если же
необходимо рассчитать силу притяжения, действующую на тело, расположенное
на некотором отдалении от Земли, или силу, вызываемую другим небесным
телом(например Луной или другой планетой), то следует использовать значение
величины g, вычисленное с помощью известной формулы, в которой r3 и
m3должны быть заменены на соответствующее расстояние и массу, можно также
непосредственно воспользоваться формулой закона всемирного тяготения.
Существует несколько методов очень точного определения ускорения силы
тяжести. Можно найти g просто взвешиванием стандартного груза на пружинных
весах. Геологические весы должны быть удивительны - их пружина изменяет
растяжение при добавлении нагрузки меньше чем в миллионную долю грамма.
Превосходные результаты дают крутильные кварцевые весы. Устройство их в
принципе несложно. К горизонтально натянутой кварцевой нити приварен рычаг,
весом которого нить слегка закручивается:
Для тех же целей применяется и маятник. Еще недавно маятниковые
способы измерения g были единственными, и лишь в 60-е - 70-е гг. Их стали
вытеснять более удобные и точные весовые методы. Во всяком случае, измеряя
период колебания математического маятника, по формуле [pic] можно найти
значение g достаточно точно. Измеряя на одном приборе значение g в разных
местах, можно судить об относительных изменениях силы тяжести с точностью
до миллионных долей.
Значения ускорения свободного падения g в разных точках Земли
несколько различаются. Из формулы g = Gm3 можно увидеть, что величина g
должна быть меньше, например, на вершинах гор, чем на уровне моря,
поскольку расстояние от центра Земли до вершины горы несколько больше.
Действительно, этот факт установили экспериментально. Однако формула
g=Gm3/r32 не дает точного значения g во всех точках, так как поверхность
земли не является в точности сферической: на ее поверхности не только
существуют горы и моря, но также имеет место изменение радиуса Земли на
экваторе; кроме того, масса земли распределена неоднородно; вращение Земли
также влияет на изменение g.
Однако свойства ускорения свободного падения оказались сложнее, чем
предполагал Галилей. Выяснить, что величина ускорения зависит от широты, на
которой его измеряют:
Величина ускорения свободного падения меняется также с высотой над
поверхностью Земли:
Вектор ускорения свободного падения всегда направлен по вертикали
вниз, а вдоль отвесной линии в данном месте Земли.
Таким образом, на одной и той же широте и на одной и той же высоте над
уровнем моря ускорение силы тяжести должно быть одинаковым. Точные
измерения показывают, что весьма часто встречаются отклонения от этой нормы
- аномалии тяготения. Причина аномалий состоит в неоднородном распределении
массы вблизи места измерения.
Как уже было сказано, сила тяготения со стороны большого тела может
быть, представлена как сумма сил, действующих со стороны отдельных частиц
большого тела. Притяжение маятника Землей есть результат действия на него
всех частиц Земли. Но ясно, что близкие частицы вносят наибольший вклад в
суммарную силу - ведь притяжение обратно пропорционально квадрату
расстояния.
Если вблизи места измерения сосредоточены тяжелые массы, g будет
больше нормы, в обратном случае g меньше нормы.
Если, например, измерить g на горе или на самолете, летящем над морем
на высоте горы, то в первом случае получится большая цифра. Также выше
нормы величина g на уединенных океанских островах. Ясно, что в обоих
случаях возрастание g объясняется сосредоточением дополнительных масс в
месте измерения.
Не только величина g, но и направление силы тяжести может отклоняться
от нормы. Если подвесить груз на нитке, то вытянутая нить покажет вертикаль
для этого места. Эта вертикаль может отклониться от нормы. «Нормальное»
направление вертикали известно геологам из специальных карт, на которых по
данным о значениях g построена «идеальная» фигура Земли.
Произведем опыт с отвесом у подножия большой горы. Грузик отвеса
притягивается Землей к ее центру и горой - в сторону. Отвес должен
отклониться при таких условиях от направления нормальной вертикали. Так как
масса Земли много больше массы горы, то такие отклонения не превышают
нескольких угловых секунд.
«Нормальная» вертикаль определяется по звездам, так как для любой
географической точки вычислено, в какое место неба в данный момент суток и
года «упирается» вертикаль «идеальной» фигуры Земли.
Отклонения отвеса приводят иногда к странным результатам. Например, во
Флоренции влияние Апеннин приводит не к притяжению, а к отталкиванию
отвеса. Объяснение может быть одно: в горах есть огромные пустоты.
Замечательный результат дают измерения ускорения силы тяжести в
масштабе материков и океанов. Материки значительно тяжелее океанов,
поэтому, казалось бы, значения g над материками должны быть больше. Чем над
океанами. В действительности же значения g, вдоль одной широты над океанами
и материками, в среднем одинаковы.
Объяснение опять -таки лишь одно: материки покоятся на более легких
породах, а океаны - на более тяжелых. И действительно, там, где возможны
непосредственные изыскания, геологи устанавливают, что океаны покоятся на
тяжелых базальтовых породах, а материки- на легких гранитах.
Но сразу же возникает следующий вопрос: почему тяжелые и легкие породы
точно компенсируют различие весов материков и океанов? Такая компенсация не
может быть делом случая, причины ее должны коренится в устройстве оболочки
Земли.
Геологи полагают, что верхние части земной коры как бы плавают на
подстилающей пластичной, то есть легко деформируемой массе. Давление на
глубинах около 100 км должно быть всюду одинаковым, так же как одинаково
давление на дне сосуда с водой, в котором плавают куски дерева разного
веса. Поэтому столб вещества площадью 1 м2 от поверхности до глубины 100 км
должен иметь и под океаном и под материками одинаковый вес.
Это выравнивание давлений (его называют изостазией) и приводит к тому,
что над океанами и материками вдоль одной широтной линии значение ускорения
силы тяжести g не отличается существенно. Местные аномалии силы тяжести
служат геологической разведке, цель которой- найти залежи полезных
ископаемых под землей, не роя ям, не копая шахт.
Тяжелую руду нужно искать в тех местах, где g наибольшее. Напротив,
залежи легкой соли обнаруживают по местным заниженным значениям величины g.
Измерить g можно с точностью до миллионных долей от 1 м/сек2.
Методы разведки при помощи маятников и сверхточных весов называют
гравитационными. Они имеют большое практическое значение, в частности для
поисков нефти. Дело в том, что при гравитационных методах разведки легко
обнаружить подземные соляные купола, а очень часто оказывается, что где
есть соль, там и нефть. Причем нефть лежит в глубине, а соль ближе к земной
поверхности. Методом гравитационной разведки была открыта нефть в
Казахстане и в других местах.
***
Вместо того, чтобы тянуть тележку с помощью пружины, ей можно придать
ускорение, прикрепив перекинутый через блок шнур, к противоположному концу
которого подвешивается груз. Тогда сила, сообщающая ускорение, будет
обусловлена весом этого груза. Ускорение свободного падения опять таки
сообщается телу его весом.
В физике вес - это официальное наименование силы, которая обусловлена
притяжением предметов к земной поверхности - «притяжением силы тяжести». То
обстоятельство, что тела притягиваются по направлению к центру Земли,
делает такое объяснение разумным.
Как бы его не определили, вес - это сила. Он ничем не отличается от
любой другой силы, если не считать двух особенностей: вес направлен
вертикально и действует постоянно, его невозможно устранить.
Чтобы непосредственно измерить вес тела, мы должны воспользоваться
пружинными весами, проградуированными в единицах силы. Поскольку это
зачастую сделать неудобно, мы сравниваем один вес с другим при помощи
рычажных весов, т.е. находим отношение:
ЗЕМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ, ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НА ТЕЛО Х ЗЕМНОЕ ПРИТЯЖ-Е, ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НА
ЭТАЛОН МАССЫ
Предположим, что тело Х притягивается в 3 раза сильнее, чем эталон
массы. В этом случае мы говорим, что земное притяжение, действующее на тело
Х равно 30 ньютонам силы, что означает, что оно в 3 раза больше земного
притяжения, которое действует на килограмм массы. Нередко путают понятие
массы и веса, между которыми имеется существенное различие. Масса - это
свойство самого тела (она является мерой инертности или его «количества
вещества»). Вес же - это сила, с которой тело действует на опору или
растягивает подвес (вес численно равен силе тяжести, если опора или подвес
не имеют ускорения).
Если мы при помощи пружинных весов измерим вес какого-нибудь предмета
с очень большой точностью, а потом перенесем весы в другое место, то
обнаружим, что вес предмета на поверхности Земли несколько меняется от
места к месту. Мы знаем, что вдали от поверхности Земли, или в глубине
земного шара, вес должен быть значительно меньше.
Меняется ли масса? Ученые, размышляя над этим вопросом, давно пришли к
выводу, что масса должна оставаться неизменной. Даже в центре Земли, где
тяготение, действуя во всех направлениях, должно давать нулевую
результирующую силу, тело по-прежнему имело бы ту же самую массу.
Таким образом, масса, оцениваемая по трудности, которую мы встречаем
при попытке ускорить движение маленькой тележки, одна и та же всюду: на
поверхности Земли, в центре Земли, на Луне. Вес, оцениваемый по удлинению
пружинных весов(и ощущению
в мускулах руки человека, держащего весы), будет значительно меньше на Луне
и практически равен нулю в центре Земли. (рис.7)
Как велико земное притяжение, действующее на разные массы? Как
сравнить веса двух предметов? Возьмем два одинаковых куска свинца, скажем,
по 1 кг каждый. Земля притягивает каждый из них с одинаковой силой, равной
весу 10 Н. Если соединить оба куска в 2 кг, то вертикальные силы просто
складываются: Земля притягивает 2 кг вдвое сильнее, чем 1 кг. Мы получим
точно такое же удвоенное притяжение, если сплавим оба куска в один или
поместим их один на другой. Гравитационные притяжения любого однородного
материала просто складываются, и нет ни поглощения, ни экранирования одного
куска вещества другим.
Для любого однородного материала вес пропорционален массе. Поэтому мы
считаем, что Земля является источником «поля силы тяжести», исходящего из
ее центра по вертикали и способного притягивать любой кусок вещества. Поле
силы тяжести воздействует одинаково, скажем, на каждый килограмм свинца. А
как обстоит дело с силами притяжения, действующими на одинаковые массы
разных материалов, например 1 кг свинца и 1 кг алюминия? Смысл этого
вопроса зависит от того, что нужно понимать под одинаковыми массами.
Наиболее простой способ сравнения масс, которым пользуются в научных
исследованиях и в торговой практике - это применение рычажных весов. В них
сравниваются силы, которые тянут оба груза. Но получив таким путем
одинаковые массы, скажем свинца и алюминия, можно предположить, что равные
веса имеют равные массы. Но фактически здесь разговор идет о двух
совершенно разных видах массы - об инертной и о гравитационной массе.
Величина в формуле Представляет
собой инертную массу. В опытах с тележками, которым придают ускорение
пружины, величина выступает как характеристика «тяжеловесности
вещества» показывающая, насколько трудно сообщить ускорение
рассматриваемому телу. Количественной характеристикой служит отношение
. Эта масса представляет собой меру инертности, тенденции
механических систем сопротивляться изменению состояния. Масса - это
свойство, которое должно быть одним и тем же и вблизи поверхности Земли, и
на Луне, и в далеком космосе, и в центре Земли. Какова ее связь с
тяготением и что на самом деле происходит при взвешивании?
Совершенно независимо от инертной массы можно ввести понятие
гравитационной массы как количества вещества, притягиваемого Землей.
Мы считаем, что поле тяготения Земли одинаково для всех находящихся в
нем предметов, но приписываем различным пред
метам разные массы, которые пропорциональны притяжению этих предметов
полем. Это гравитационная масса. Мы говорим, что разные предметы имеют
разный вес, поскольку они обладают различными гравитационными массами,
которые притягиваются полем тяготения. Таким образом, гравитационные массы
по определению пропорциональны весам, а также силе тяжести. Гравитационная
масса определяет, с какой силой тело притягивается Землей. При этом
тяготение взаимно: если Земля притягивает камень, то камень точно также
притягивает Землю. Значит, гравитационная масса тела определяет также,
насколько сильно оно притягивает другое тело, Землю. Таким образом,
гравитационная масса измеряет количество вещества, на которое действует
земное притяжение, или количество вещества, обуславливающее гравитационные
притяжения между телами.
Гравитационное притяжение действует на два одинаковых куска свинца вдвое
сильнее, чем на один. Гравитационные массы кусков свинца должны быть
пропорциональны инертным массам, поскольку массы того и другого вида,
очевидно, пропорциональны числу атомов свинца. То же самое относится к
кускам любого другого материала, скажем, воска, но как сравнить кусок
свинца с куском воска? Ответ на этот вопрос дает символический эксперимент
по изучению падения тел всевозможных размеров с вершины наклонной Пизанской
башни, тот, который по легенде производил Галилей. Сбросим два куска любого
материала любых размеров. Они падают с одинаковым ускорением g. Сила,
действующая на тело и сообщающая ему ускорение6 - это притяжение Земли,
приложенное к этому телу. Сила притяжения тел Землей пропорциональна
гравитационной массе. Но силы тяжести сообщают всем телам одинаковое
ускорение g. Поэтому сила тяжести, как и вес, должна быть пропорциональна
инертной массе. Следовательно, тела любой формы содержат одинаковые
пропорции обеих масс.
Если принять 1 кг в качестве единицы обеих масс, то гравитационная и
инертная массы будут одинаковы у всех тел любых размеров из любого
материала и в любом месте.
Вот как это доказывается. Сравним эталон килограмма, сделанный из платины6
с камнем неизвестной массы. Сравним их инертные массы, перемещая поочередно
каждое из тел в горизонтальном направлении под действием некоторой силы и
измеряя ускорение. Предположим, что масса камня равна 5,31 кг. Земное
тяготение в этом сравнении не участвует. Затем сравним гравитационные массы
обоих тел, измерив гравитационное притяжение между каждым из них и каким-
нибудь третьим телом, проще всего Землей. Это можно проделать путем
взвешивания обоих тел. Мы увидим, что гравитационная масса камня тоже равна
5,31 кг.
Более чем за полстолетия до того как Ньютон предложил свой закон всемирного
тяготения, Иоганн Кеплер (1571-1630) обнаружил, что “запутанное движение
планет Солнечной системы можно было бы описать с помощью трех простых
законов. Законы Кеплера укрепили веру в гипотезу Коперника о том, что
планеты вращаются вокруг Солнца, а.
Утверждать в начале XVII века, что планеты вокруг Солнца, а не вокруг
Земли, было величайшей ересью. Джордано Бруно открыто защищавший систему
Коперника, как еретик был осужден святой инквизицией и сожжен на костре.
Даже великий Галлилей, несмотря на тесную дружбу с папой | |
