Образование

В чем измеряется сила тяжести: работа гравитационных сил, гравиметр

Гравитация — это природное явление, которое присутствует в любой точке на нашей планете. Сила, с которой гравитационное поле Земли действует на объект с конечной массой, называется силой тяжести. Рассмотрим, в чем измеряется сила тяжести.

Закон всемирного тяготения, или когда люди узнали о существовании гравитации

На первый взгляд этот вопрос звучит наивно. Действительно, самый первый предок человека ходил по земле и уже ощущал, что она притягивает к себе его и все окружающие объекты. Тем не менее научное изучение этого вопроса началось не так давно.

В начале XVII века Галилей впервые измерил гравитационное поле нашей планеты, сбрасывая со знаменитой башни в Пизе тела разной массы. Итальянскому ученому также принадлежит изобретение математического маятника, который можно использовать для определения ускорения свободного падения g.

Во второй половине того же XVII века Исаак Ньютон, изучая законы движения планет, которые были эмпирически получены Иоганном Кеплером, теоретически вывел закон всемирного тяготения. Его математическая формулировка представлена ниже:

F = G*m1*m2/r2.

Здесь сила взаимодействия F между телами с массами m1 и m2 возникает, когда они находятся на расстоянии r друг от друга. Величина G — это константа, которая остается неизменной для любой точки нашей Вселенной, она равна 6,674*10−11 Н*м2/кг2. Эта величина говорит о том, что два тела массами по 1 килограмму, расстояние между которыми составляет 1 метр, притягиваются с силой ≈ 0,06674 наноньютона. Порядок этой величины объясняет то, почему в жизни мы не чувствуем притяжения со стороны других тел.

Вес тела

Перед тем как ответить на вопрос, в чем измеряется сила тяжести, познакомимся с весом тела. Эта величина непосредственным образом следует из сформулированного выше закона тяготения. Если в формулу для силы тяжести, которую испытывает каждый объект на нашей планете, подставить массу Земли и ее радиус (расстояние между центром тяжести планеты и объектами, находящимися вблизи ее поверхности, приблизительно равно радиусу Земли), тогда получим выражение:

F = G*M/R2*m = g*m = P, где g = G*M/R2.

Таким образом, мы получили формулу для силы притяжения тел Землей. Эта сила называется весом. Вес зависит только от собственной массы тела. При изменении гравитационного поля вес также изменяется. Эта ситуация наблюдается, если подниматься высоко в горы или полететь на другую планету.

В каких единицах измеряется сила тяжести?

Поскольку речь идет о силе, то она измеряется в ньютонах (Н). Однако в общепризнанной системе СИ ньютон не является базовой единицей, а вводится в физику благодаря другим величинам: массе, расстоянию и времени. Сила в 1 ньютон означает, что она способна за 1 секунду разогнать тело массой 1 килограмм до скорости 1 метр в секунду. Этот вывод следует из второго закона Исаака Ньютона в классической механике.

Работа гравитационных сил

В чем измеряется сила тяжести: работа гравитационных сил, гравиметр - новости образования и науки на News4Smart.ru

Рассмотрев вопрос, в чем измеряется сила тяжести в физике, можно переходить к понятию работы. В общем случае под этой величиной понимают скалярное произведение силы, действующей на тело, на вектор его перемещения в пространстве, что может быть записано в виде выражения:

A = (F¯*l¯).

Круглые скобки показывают, что данное произведение является скаляром (работа — е векторная величина). Раскрывая эти скобки и переходя к модулям величин, получаем:

A = l*F*cos(α).

Где α представляет собой угол между соответствующими векторами. Полученная формула позволяет сделать важный вывод: сила F не будет совершать работы, если она действует перпендикулярно направлению перемещения l тела (cos(90) = 0).

В чем измеряется работа силы тяжести? Так же как и любая другая работа в физике, она измеряется в джоулях. Сила тяжести (вес тела) направлена строго к центру Земли. На практике это направление совпадает с вертикалью. Это означает, что сила тяжести будет совершать работу только тогда, когда тело поднимают вверх или опускают вниз. Этот факт позволяет записать формулу для работы этой силы:

A = m*g*h.

Где h — изменение высоты тела в процессе его перемещения.

Примеры проявления работы силы тяжести в быту

В чем измеряется сила тяжести: работа гравитационных сил, гравиметр - новости образования и науки на News4Smart.ru

Пожалуй, ярким является подъем человека по лестнице. Поскольку вес тела направлен вниз, то во время подъема по ступенькам он направлен против перемещения тела человека, то есть совершает отрицательную работу. Эта работа будет тем больше, чем выше высота подъема и больше масса тела (полным людям очень трудно подниматься пешком на верхние этажи здания). Наоборот, при спуске вниз сила тяжести направлена вдоль направления перемещения, поэтому она совершает положительную работу и самостоятельно спускает тело вниз (движение вниз по лестнице или склону холма).

В чем измеряется сила тяжести: работа гравитационных сил, гравиметр - новости образования и науки на News4Smart.ru

Любопытно заметить, что если человек взял груз и несет его, то сила тяжести не препятствует и не способствует такому перемещению (A=0). Движение с тяжелым грузом затруднено, поскольку увеличивается сила трения покоя (она прямо пропорциональна весу тела), которую человек вынужден преодолевать, чтобы сделать хотя бы один шаг.

Каким прибором измеряется сила тяжести?

В чем измеряется сила тяжести: работа гравитационных сил, гравиметр - новости образования и науки на News4Smart.ru

Он так и называется — гравиметр, то есть измеряющий гравитацию. Самым первым гравиметром принято считать маятник Галилея. В честь фамилии этого ученого названа единица измерения, с которой работает гравиметр — Гал. Величина в 1 Гал соответствует 0,01 м/с2. Заметим, что ответом на вопрос, в чем измеряется сила тяжести является ньютон, гравиметр же измеряет не ньютоны, а ускорение, которое сила тяжести придает телам.

Гравиметр применяется широко в геологии при анализе строения земных недр и поиске полезных ископаемых (залежи руд вызывают локальные колебания величины g).

В чем измеряется сила тяжести: работа гравитационных сил, гравиметр - новости образования и науки на News4Smart.ru

Все гравиметры делятся на два класса:

  • Абсолютные — измеряют непосредственно гравитационное поле, то есть g. До середины прошлого века использовали с этой целью маятники, сейчас применяют приборы, в которых напрямую изучается время падения тела в вакууме.
  • Относительные. Они измеряют колебания гравитационного поля в разных точках земли. Чтобы с помощью такого гравиметра определить значение g в данной местности, необходимо знать его точное значение для этого прибора в некоторой другой местности. Часто используются пружинные гравиметры. В начале 2000-х годов был сконструирован суперпроводящий относительный гравиметр. Его принцип работы основан на изменении положения взвешенной в магнитном поле суперпроводящей диамагнитной сферы из ниобия, охлаждаемой жидким гелием. Чувствительность этого гравиметра настолько велика (≈ 1 нГал), что он фиксирует изменения гравитации, вызванные изменением толщины снежного покрова на поверхности Земли буквально в несколько сантиметров.

В чем измеряется сила тяжести: работа гравитационных сил, гравиметр — все интересные факты и достижения науки и образования на News4Smart.ru

Поделитесь ссылкой и ваши друзья узнают, что вы знаете ответы на все вопросы. Спасибо ツ

Related Articles

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Close