Сила тяжести¶

Сила тяжести — это сила, с которой Земля (или другое небесное тело) притягивает к себе тела, находящиеся в её гравитационном поле. В физике под силой тяжести понимают равнодействующую двух сил: гравитационного притяжения Земли и центробежной силы, обусловленной вращением планеты вокруг своей оси. Именно поэтому сила тяжести направлена не точно к центру Земли, а немного отклонена от него — к экватору.

¶Определение и формула

Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, сила притяжения между двумя телами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F = G · (m₁ · m₂) / r²,

где G — гравитационная постоянная, равная 6,674 × 10⁻¹¹ Н·м²/кг²; m₁ и m₂ — массы тел; r — расстояние между центрами масс.

Для тела, находящегося у поверхности Земли, сила тяжести выражается формулой:

F = m · g,

где m — масса тела, g — ускорение свободного падения. На поверхности Земли g ≈ 9,81 м/с², однако это значение не постоянно: оно уменьшается с высотой над поверхностью и зависит от широты. У полюсов ускорение свободного падения достигает 9,832 м/с², а у экватора снижается до 9,780 м/с².

¶Природа явления

Сила тяжести проявляется везде, где есть гравитационное поле. Она не зависит от состояния движения тела — свободно падающее тело, тело в невесомости на орбите и тело на поверхности планеты подвергаются действию гравитации. Разница лишь в том, что на орбите сила тяжести полностью компенсируется центробежной силой, создавая состояние невесомости.

Гравитационное поле — это особое физическое поле, посредством которого тела взаимодействуют на расстоянии. В отличие от электромагнитного взаимодействия, гравитация всегда притягательна: отталкивающей гравитации в природе не наблюдается. Сила тяжести действует на любые тела, обладающие массой, независимо от их химического состава, температуры или агрегатного состояния.

¶История изучения

Исследование силы тяжести имеет давнюю историю. Аристотель (IV век до н. э.) полагал, что тяжёлые тела падают быстрее лёгких, и это представление господствовало в науке более полутора тысячелетий. Итальянский учёный Галилео Галилей в конце XVI — начале XVII века экспериментально показал, что все тела падают с одинаковым ускорением, независимо от их массы.

Исаак Ньютон в 1687 году в труде «Математические начала натуральной философии» сформулировал закон всемирного тяготения, объединивший земную и небесную механику. Ньютон показал, что сила, притягивающая Луну к Земле, и сила, удерживающая планеты на орбитах вокруг Солнца, — это одно и то же явление.

В 1879 году Альберт Эйнштейн в теории относительности предложил новое понимание гравитации: она проявляется как искривление пространства-времени под действием массы. Эта теория позволила объяснить ряд явлений, которые классическая механика Ньютона не могла описать точно, — например, предсказание отклонения света в поле тяжести, подтверждённое во время солнечного затмения 1919 года.

¶Единицы измерения

Сила тяжести измеряется в ньютонах (Н) в Международной системе единиц (СИ). В технической системе единиц использовалась единица «килограмм-сила» (кгс), равная силе тяжести, действующей на тело массой 1 кг при g = 9,80665 м/с². В настоящее время кгс упразднена, но в ряде отраслей инженерной практики это понятие ещё встречается.

¶Сила тяжести на других небесных телах

Величина ускорения свободного падения зависит от массы и радиуса планеты. На Луне g ≈ 1,62 м/с² — примерно в шесть раз меньше земного, поэтому астронавты, ступившие на лунную поверхность в 1969 году, могли прыгать на значительную высоту. На Марсе g ≈ 3,71 м/с², на Венере — 8,87 м/с², на Юпитере — 24,79 м/с². У Солнца, обладающего огромной массой, g ≈ 274 м/с².

¶Применение понятия

Понятие силы тяжести широко используется в физике, астрономии и инженерии. Зная величину g, рассчитывают массу тела по его весу, определяют плотность пород при геологоразведке, проектируют конструкции зданий и мостов. Астрономы по отклонениям в движении небесных тел выявляют скрытые массы — так, в 1846 году по возмущениям орбиты Урана была открыта планета Нептун.

¶Интересные факты

Вес тела, измеренный в разных точках Земли, различается. На вершине высокой горы, удалённой от центра планеты, вес тела меньше, чем у подножия. При подъёме на высоту 1 км ускорение свободного падения уменьшается примерно на 0,003 м/с². В невесомости на борту Международной космической станции астронавты не ощущают веса, хотя гравитация на высоте 400 км от поверхности Земли составляет около 8,7 м/с² — около 87% земной.

Источники:

• Иродов И. Е. «Задачи по общей физике»
• Савельев И. В. «Курс общей физики»
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. «Фейнмановские лекции по физике»
• Эйнштейн А. «Общей теории относительности основание» (1916)
• Ньютон И. «Математические начала натуральной философии» (1687)