2.4. Гравитационная сила

В природе известны четыре основные фундаментальные силы (их еще называют основными взаимодействиями) - гравитационное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.

Гравитационное взаимодействие связывает воедино части земного шара и оно определяет крупномасштабные события во Вселенной.

Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и связывает атомы в молекулы.

Сильное взаимодействие связывает нуклоны в ядрах. Это взаимодействие является самым сильным, но действует оно только на коротких расстояниях (~ 10^-13 м).

Слабое взаимодействие действует между элементарными частицами и имеет очень малую дальность.

Закон всемирного тяготения Ньютона

Между двумя материальными точками действует сила взаимного притяжения, направленная вдоль прямой, проходящей через тела

(9)

m, M – массы тел, r – расстояние между телами,

- гравитационная постоянная.

Эта сила называется гравитационной силой (или силой всемирного тяготения).

Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Сила взаимодействия между двумя телами не зависит от среды, в которой находятся тела.

Закон всемирного тяготения в форме (9) установлен для тел, принимаемых за материальные точки.

Массы, входящие в уравнение (9), называются гравитационными массами.

Этим подчеркивается, что в принципе массы, входящие во второй закон Ньютона (9) и в закон всемирного тяготения (9) имеют различную природу.

Однако установлено, что отношение для всех тел одинаково с погрешностью 10^-10.

Если сравнить второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения, то получим, что гравитационная сила приводит к ускорению тела массы m на величину

(10)

Если мы имеем дело с гравитационным притяжением тела массы m к Земле (земная гравитация), то на поверхности Земли

(11)

где М_о = 5.976^.10²⁴ кг – масса Земли, R_o=6.371030^.10⁶ м - радиус Земли.

Подставив значения М_о и R_o в последнюю формулу, получим величину ускорением свободного падения

Таким образом, ускорение свободного падения одинаково для всех тел (закон Галилея).

Сила тяжести – это сила действующая на тело массы со стороны Земли

P = mg. (12)

Если тело находится на высоте h над поверхностью Земли, то

, (13)

т.е. сила тяжести с удалением от поверхности Земли уменьшается.

Вес тела - это сила , с которой тело вследствие тяготения к Земле действует на опору (или подвес), удерживающую тело от свободного падения.

Если на тело, кроме силы тяготения, действует еще другая сила, приводящая к тому, что в поле тяготения тело движется с ускорением , то:

. (14)

Следовательно, если тело покоится или движется прямолинейно и равномерно, то и .

Если тело свободно движется в поле тяготения по любой траектории и в любом направлении, то и ,

т.е. тело будет невесомым (такая ситуация возникает, в частности, на космических спутниках Земли).