Закон всемирного тяготения. Гравитационное поле. Невесомость

 

Закон всемирного тяготения – сила гравитационного притяжения любых двух материальных точек прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Рис. 3	Рис. 4

Гравитационную массу m₁ (или m₂) определяют сравнением ее с массой эталонного тела – цилиндра из платино-иридиевого сплава, масса которого принята за 1 кг (рис. 3). Процесс сравнения масс на рычажных весах называется взвешиванием (рис. 4). Гравитационная постоянная G = 6,67·10^–11 Н.м²/кг² впервые была измерена английским физиком Кавендишем в 1798 году.

Закон всемирного тяготения сформулирован для материальных точек. Если его применять к протяженному телу, то это тело следует разбить на малые части, а затем использовать принцип суперпозиции сил.

Ньютон доказал, что закон можно применять для расчета сил взаимодействия между симметричными сферическими телами, если считать, что r – это расстояние между их центрами (рис. 5).

Рис. 5

Для расчета силы притяжения между двумя телами произвольной формы (например, два куба) закон всемирного тяготения в таком виде неприменим.

Силу всемирного тяготения называют силой тяжести, если рассматривают притяжение к Земле тел, которые достаточно малы по сравнению с размером самой Земли.

Для тел массой m, расположенных близко к поверхности Земли, установлено, что сила притяжения примерно равна:

где g» 9,8 м/с² – ускорение свободного падения. При точном измерении g должно зависеть от распределения пород на Земле, места расположения тела на Земле и от высоты над уровнем моря.

На полюсах Земли ускорение свободного падения больше, так как Земля сплюснута с полюсов.

Рис. 6

Вес тела – это сила, с которой тело вследствие притяжения Земли давит на горизонтальную опору или растягивает вертикальный подвес. Таким образом, если на чаше весов стоит гиря, то вес – это сила, действующая не на гирю, а на чашу весов (рис. 6). Вес тела действует на подставку (опору) или подвес. При взвешивании в системе отсчета, покоящейся относительно Земли, вес неподвижного тела и сила тяжести совпадают, если не учитывать малые поправки, связанные с вращением Земли. Если весы движутся с ускорением, то вес может быть и больше, и меньше силы тяжести. Так, точные пружинные весы показывают вес тела, а не силу притяжения к Земле. На экваторе или в лифте, движущемся с ускорением, направленным вниз, вес тела меньше силы тяжести.

Если тело не давит на опору или не натягивает подвес, то говорят, что тело находится в состоянии невесомости. Если лифт и весы падают с ускорением свободного падения независимо друг от друга, то груз не давит на чашу, поэтому вес груза равен нулю, т.е. груз находится в состоянии невесомости.