3. Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести.

Различные взаимодействия, известные современной физике, сводятся к четырем типам:

1. гравитационное взаимодействие, возникающее между всеми телами в соответствии с законом всемирного тяго­тения ;

2. электромагнитное взаимодействие – между телами или частицами, обладающими электрическими зарядами;

3. сильное взаимодействие, существующее, например, между частицами, из которых состоят ядра атомов, а также между мезонами и гиперонами;

4. слабое взаимодействие, характеризующее, например, процессы превращения некоторых элементарных частиц.

Сила как количественная характеристика позволяет оценивать лишь гравитационные и электромагнитные взаи­модействия. В тех чрезвычайно малых областях простран­ства и в тех процессах, в которых проявляются сильные и слабые взаимодействия, такие понятия, как точка прило­жения, линия действия, а вместе с ними и само понятие силы теряют смысл.

В задачах механики учитываются гравитационные силы (силы тяготения) и две разновидности электромагнитных сил — силы упругости и силы трения.

Силы взаимодействия между частями некоторой рассматриваемой системы тел называются внутренними силами.

Силы воздействия на тела данной системы со стороны тел, не включенных в эту систему, называются внешними силами.

Система тел, на каждое из которых не действуют внешние силы, называется замкнутой (изолированной) системой.

Закон всемирного тяготения – гравитационная сила с которой притягиваются две материальные точки (или два тела), прямо пропорциональна произведению масс этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (между центрами масс тел) и направлена по линии, соединяющей эти тела.

Закон всемирного тяготения установлен для тел, принимаемых за материальные точки, т.е. для таких тел, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними.

Гравитационные силы – центральные.

Гравитационное взаимодействие тел, описываемое законом всемирного тяготения, осуществляется посредством гравитационного поля (поля тяготения). Силы тяготения не зависят от среды, в которой находятся эти тела.

Гравитационное поле потенциально.

– гравитационная постоянная; численно равна силе, с которой притягиваются два тела массы 1кг, находящиеся на расстоянии 1м друг от друга.

– единичный вектор, указывающий направление гравитационной силы.

Опыт Кавендиша.

Первой успешной попыткой определения G были измерения, осуществленные Кавендишем (1798 г.). Он применил для измерения сил весьма чувствительный метод крутильных весов. Два свинцовых шара т (с массой 0,729 кг каждый), прикрепленных к концам легкого коромысла, помещались вблизи симметрично рас­положенных шаров М (с массой по 158 кг). Коромысло подвешива­лось на упругой нити, по закручиванию которой можно было из­мерять силу притяжения шаров друг к другу. Верхний конец нити был закреплен в установочной головке, поворотом которой можно было менять расстояние между шарами т и М.

Н а тело, находящееся в пункте В поверхности Земли, характеризующемся широтой φ (рис.), действуют две силы: сила тяготения и сила реакции земной поверхности (или сила реакции опоры) , направление которой определяется не только силой тяготения, но также вращением Земли. Равнодействующая этих двух сил обеспечивает движение тела по окружности с центром О при суточном вращательном движении Земли вокруг оси. Сила , действующая на тело вследствие его притяжения к Земле, равная по модулю силе реакции , но направ­ленная противоположно ей, называется силой тяжести. Силу тяжести можно измерить, например, с помощью динамометра при условии покоя тела и динамометра от­носительно Земли.

Ускорение свободного падения:

1. на поверхности Земли (без учета суточного вращения Земли)

2. на поверхности Земли на широте φ (учитывая суточное вращение Земли)

( )

с большой точностью g можно вычислять по формуле

3. на высоте h над поверхностью Земли (без учета суточного вращения Земли)