несуществовалибыниокеаныводы,нивоздушныйокеан.Веськлиматпла-неты определяется взаимодействием двух основных факторов: солнечной дея-тельности иземного притяжения.Гравитация не только удерживает на Земле людей, животных, воду и воз-дух, но и сжимает их. Это сжатие у поверхности Земли не столь уж велико, нороль его немаловажна. Всем известно, что утонуть кораблю мешает знаменитаясила Архимеда. А ведь она появляется благодаря тому, что вода сжата тяготениемссилой,увеличивающейся сростомглубины.Закон всемирного тяготенияОткрыт великим Ньютоном в 1682 году: Сила взаимного притяжения лю-бых двух тел, размеры которых гораздо меньше расстояния между ними, про-порциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадратурасстояниямежду этими телами.Так,силапритяженияGмеждутеломмассойmиЗемлей равна:G = g mM / r2,где М - масса Земли, g - гравитационная постоянная, r - расстояние от поверхно-стиЗемлидо еецентра( радиусЗемли).Введем обозначение: g M/r2=g - ускорениесвободногопадения. Тогда:G = mg.Это уравнение подтверждает необыкновенное свойство гравитационныхсил, установленное экспериментально: гравитационные силы сообщают всемтелам одинаковое ускорение, которое не зависит ни от состава, ни от строе-ния,ни отмассы самихтел.Сформулировав свой знаменитый закон всемирного тяготения, Ньютон по-ставил перед наукой глубочайший вопрос: что такое гравитация, какова ее приро-да,какпередаетсявзаимодействиемеждутяготеющими массами?Сам Ньютон не мог объяснить природу тяготения вследствие состояния то-гдашней науки, и только в 1916 году гений Альберта Эйнштейна и созданная имтеорияотносительности позволили ответить
наэтотвопрос.Принцип эквивалентностиПредставьте себе, что вы находитесь в кабине “падающего лифта” (см. ри-сунок).На тело массой m действует сила тяжести, равная mg исилаинерции,направленнаявсторону,противоположную ускорению и равная тоже mg (если ус-корение равно g). При этом результирующая сила,действующаяна тело,равна нулю. Иначеговоря,гравитационные силы, явственно проявляющиеся в связан-ной с Землей системе отсчета, исчезают, если перейти всвободнопадающуюсистему!Принцип эквивалентности Эйнштейна заключается вследующем:Тяготение в каждой точке пространства эквивалентно соответствующим об-разомподобранномуускорениюсистемыотсчета.Этот принцип с неизбежностью приводит к установлению теснейшей связимеждугравитациейигеометрией.Искривление световых лучейПокажем, что световой луч, который является эталоном прямой линии, бу-детотклоняться вускореннодвижущейся системеотсчета.Представьте себе, что вы едете в поезде. Идет дождь, и капли прочерчиваютполоски на стеклах. Если поезд движется равномерно, то полоски будут прямыми.При ускоренном движении поезда они изогнутся. Прямые линии превратились вкривые!Вывод:Ускорениесистемыотсчетаменяетгеометриюпространства.Связь тяготения с геометрией пространстваА теперь вспомним, что в соответствии с принципом Эйнштейна ускорениеэквивалентно наличию тяготения. Следовательно, отклонение световых лучей,равно как и лучей, образованных потоками любых частиц, под влиянием тяготе-ния неизбежно. Астрономические наблюдения подтверждают, что световые лучиотклоняютсяпод влияниемтяготенияв сторонусолнца.В повседневной жизни мы пользуемся привычной нам геометрией Евклида,которая базируется на ряде постулатов, таких, как: сумма углов треугольника
равна 180° ;отношение длины окружности к ее диаметру равно числу ; через две точки можно провести только одну прямую линию; через точку, лежащую вне прямой, можно провести только одну прямую, параллельную данной...
Геометрическую модель нашего пространства, обладающего евклидовыми свойствами, можно легко вообразить, если представить себе резиновую пленку с нанесенной на нее сеткой (невозмущенное пространство).
Но вот мы надавили пальцем на какой-то участок пленки Этот участок растянулся, изменились углы между линиями, сумма углов треугольника сделалась отличной от p , произошло нарушение Евклидовой геометрии. Отметим, что, чем ближе находится участок пленки к оказывающему давление пальцу, тем
сильнее он искривляется. Между действием пальца и действием масс, вызывающих тяготение, можно провести аналогию. Ведь от действия пальца в одном месте в других местах пленки появляются упругие натяжения, которые так и хочется сравнить с гравитационными силами (они, кстати, убывают с расстоя- нием почти так же, как тяготение).
Таким образом, мы с двух разных позиций - искривленного пространства и ис- кривленных прямых пришли к выводу о неразрывной связи тяготения с геометри- ей.
Для того, чтобы лучше понять этот неожиданный и ошеломляющий вывод, перенесемся мысленно на другую планету, где сила тяготения в десятки миллио- нов раз больше, чем наша. На такой планете направленный горизонтально луч света не сможет преодолеть притяжения и будет огибать планету параллельно ее поверхности как спутник. Если такой луч света послать с помощью прожектора
на одном полюсе, то он, обогнув поверхность планеты, дойдет до второго полюса и, миновав его, вернется в эту же точку - только с другой стороны. Немного по- вернув прожектор, мы получим другой луч, другую прямую, также проходящую через
оба полюса.
Вывод:наэтойпланетечерездветочки-вданномслучаечерездваполюса-можнопровестибесчисленноемножествопрямыхлиний!Кстати, эти "прямые" будут иметь вид окружностей и на этой удивительной пла-нете каждый человек безо всяких зеркал может увидеть свой собственный заты-лок.Вернемся, однако, на Землю и подведем итоги. Мы живем не в плоском, а вискривленном мире. Кривизна этого мира может дать иллюзию силы притяженияи эффект силы притяжения есть единственное, в чем такая кривизна может прояв-ляться.Кривизна пространства (точнее следует говорить о кривизне пространства -времени) на Земле ничтожна, что позволяет применять на практике геометриюЕвклида и приводит к малости гравитационных сил (сила взаимного притяжениядвух людей среднего веса при расстоянии между ними в один метр не превышает0,03 миллиграмма). Однако, несмотря на свою малую величину, гравитационныесилыиграют огромнуюроль внашей жизни.
-
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИЛЫ
В природе по современным данным имеется не более четырех типов взаи-модействий: всемирное тяготение и электромагнитные взаимодействия имеют ме-сто в ньютоновской механике, а ядерные и слабые взаимодействия - в атомныхядрахпри взаимномпревращенииэлементарныхчастиц.Силы упругости, которые позволяют твердым телам сохранять свою форму,препятствуют изменению объема жидкостей и сжатию газов; силы трения, тормо-зящие движение твердых тел, жидкостей и газов - все это электромагнитные силы.Вихосновележитвзаимодействиемеждуэлектрическизаряженнымичастицами.В реальной жизни мы встречаемся с электромагнитными взаимодействиямимежду нейтральными системами - атомами и молекулами. Этот тип электромаг-нитных сил называется молекулярным или силами Ван-дер-Ваальса, по имениголландского ученого, который впервые ввел их в теорию газов при попытке объ-
яснитьпревращениегазав жидкость.На значительных расстояниях ни атомы, ни молекулы не отталкиваются, астремятся друг к другу. Молекулярные силы на большом расстоянии - это силыпритяжения.Электрическоеполесистемыэлектрон-ядронеимеетполнойшаровойсим-метрии. При сближении с другим атомомэто поле возмущает движение электронасоседнего атома таким образом, что “центртяжести” отрицательного заряда оказыва-етсясмещеннымотносительноядра.Каж-дый атом (или молекула) поляризуют своего соседа, и он превращается в диполь,вкоторомзарядыпротивоположныхзнаковпространственноразделены.У многих веществ, например у воды, молекулы при своем рождении сразуже оказываются подобными электрическому диполю. Такие молекулы своимэлектрическим полем вызывают поляризацию соседей и появление сил притяже-ния.
Силы Ван-дер-Ваальса - следствие некоторого преобладания притяжениянад существующим одновременно отталкиванием, они резко убывают с увеличе-ниемрасстояния(обратнопропорциональныседьмойстепенирасстояния!).Силы Ван-дер-Ваальса не способны объяснить образование молекул. Присближении атомов начинают работать химические (обменные) силы, которыеприводят к коллективизации внешних (валентных) электронов двух соединяю-щихся атомов. Эти электроны, проходя между ядрами, компенсируют их отталки-ваниеиобразуетсяустойчивоесоединение(молекула).Наличие химических и молекулярных сил позволяет объяснить и понятьструктуру газов, жидкостей и твердых тел и, в конечном итоге, их поведение поддействиемвнешних сил.
-
УПРУГИЕ СИЛЫ
В реальных газах и жидкостях из сил притяжения действуют только силы