Вселенная по Ньютону
» Персоналии » Вселенная по Ньютону
Что заставляет планеты двигаться вокруг Солнца? Во времена Кеплера некоторые люди считали, что позади планет сидят ангелы, машут крылышками и толкают планеты по орбитам. Галилей исследовал движение тел по прямой линии.
Оставалось еще неизвестным, почему планеты, обращаясь вокруг Солнца, не падают на него и не улетают в сторону. Какая сила заставляет предметы падать, а не улетать в пространство? Все эти явления в конце XVII в. объяснил английский ученый Исаак Ньютон (1643—1727 гг.), который открыл закон всемирного тяготения. Ньютон решил, что планете, вращающейся вокруг Солнца, не нужна сила, чтобы двигаться вперед; однако если бы никакой силы не было, планета летела бы по касательной. Но на самом деле планета летит не по прямой. Она все время оказывается не в том месте, куда попала бы, если бы летела свободно, а ближе к Солнцу. Другими словами, ее скорость, ее движение отклоняются в сторону светила. Это привело Ньютона к мысли, что сила, действующая на планеты, направлена к Солнцу, и что, зная, как период обращения разных планет зависит от расстояния до Солнца, можно определить, как ослабляется сила с расстоянием. Ученый высчитал, что сила обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Галилей рассматривал в телескоп Юпитер со спутниками, обращающимися вокруг него. Это напоминало маленькую Солнечную систему. Все выглядело так, будто спутники притягиваются к Юпитеру.
Луна тоже вращается вокруг Земли и притягивается к ней точно таким же образом. Возникла мысль, что притяжение действует повсюду. Оставалось лишь обобщить эти наблюдения и доказать, что все тела притягивают друг друга.
А значит, Земля должна притягивать Луну так же, как Солнце притягивает планеты. Но известно, что Земля притягивает и обычные предметы: например, вы прочно сидите на ауле, хотя вам, может быть, и хотелось бы летать по воздуху. Ньютон предположил, что Луну на орбите удерживают те же силы, которые притягивают предметы к Земле. Так был открыт один из видов физических сил — гравитация.
Ньютон пришел к выводу, что между всеми телами существует взаимное притяжение (тяготение) и сила этого притяжения зависит от масс притягивающихся тел и расстояния между ними. Это выражается следующим образом: сила притяжения прямо пропорциональна массам притягивающихся тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Формулой этот закон можно выразить так: F = = Gxfaxmjr2), где G — гравитационная постоянная, равная 6,67408х10-11м3*с-2кг1.
Закон всемирного тяготения позволяет очень точно предсказывать траектории движения Земли, Луны и планет. Если бы гравитационное притяжение нашего светила уменьшалось с расстоянием быстрее или медленнее, орбиты планет не были бы эллиптическими, а имели бы форму спирали, сходящейся к Солнцу или расходящейся от него.
Закон тяготения отличается от многих других законов. Его называют всемирным, поскольку он действует не только в Солнечной системе, но и во всей Вселенной.
По мнению Ньютона, Бог создал материальные частицы, силы между ними и законы движения. Все физические явления происходят в трехмерном пространстве, где мы обитаем и которое описывается евклидовой геометрией, той самой, что все изучают в школе. Пространство играет роль вместилища материи и никак не связано с находящимися внутри этого вместилища материальными объектами. Пространство существует всегда и останется существовать, если из него удалить всю материю. По представлениям ученого, в этом неподвижном и неизменном пространстве двигаются материальные частицы — атомы, маленькие, твердые и неразрушимые предметы, из которых состоит вся материя. Между материальными частицами действуют силы взаимодействия, очень простые и по сути зависящие только от масс и расстояний между частицами.
Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Тем не менее его планетарная модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационного взаимодействия планет. Из-за этого Ньютон обнаружил в своей модели некоторые несообразности, которые он сам не мог объяснить. Однако он решил проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и сам исправляет свои ляпы.
Вселенная по Ньютону — хорошо отлаженный «часовой механизм». Образ мировых часов был придуман немецким ученым XVII—XVIII вв. Лейбницем. В этой модели Вселенная бесконечна в пространстве и вечна во времени. Количество звезд, планет, звездных систем в бесконечном пространстве безгранично велико. В то же время каждое небесное тело проходит свой жизненный путь, рождается и погибает.
Источник
Исаак Ньютон
Коперник доказал, что планеты — в том числе и Земля — обращаются вокруг Солнца; Кеплер открыл законы, по которым совершается обращение планет; Галилей своими наблюдениями подтвердил правильность учения Коперника. Но оставалось еще неизвестным, какая причина заставляет планеты обращаться вокруг Солнца, не падая на него и не улетая в сторону; какая сила заставляет отделившиеся от поверхности Земли предметы (например, брошенный камень или ружейную пулю) падать обратно на Землю, а не улетать в пространство.
Все это стало известно лишь спустя полтора столетия после выхода трудов Коперника, когда уже давно не было в живых ни Кеплера, ни Галилея.
В конце XVII в. гениальный английский ученый Исаак Ньютон открыл и обосновал закон всемирного тяготения, объяснивший все эти явления. Развивавшийся в ряде стран, в особенности в Голландии и Англии, капитализм предъявлял все большие требования к технике и точным наукам. Система Коперника была признана многими передовыми учеными. И церковь, при всей своей вражде к передовой науке, вынуждена была ослабить борьбу против нее. Поэтому Ньютону не пришлось разделить трагической судьбы Бруно, Галилея и Кеплера.
Исаак Ньютон. (Репродукция с картины И. М. Гурвича.)
Ньютон родился в 1643 г. в одном из провинциальных английских городов — Вулсторпе. В детстве он не испытывал склонности к науке, но в юности у него обнаружились исключительные математические способности. В 1661—1665 гг. Ньютон учился в Кембриджском университете— одном из лучших университетов Англии. В 1669 г. он был уже профессором математики этого университета. В 1696 г. он переехал в Лондон, в котором жил до самой смерти. Скончался Ньютон в 1727 г. на 85-м году жизни, будучи всемирно известным ученым.
Ньютон обогатил своими открытиями все основные области точных наук — математику и механику, физику и астрономию. И прежде астрономия не могла развиваться без помощи математики, но теперь развитие астрономии наряду с развитием физики и техники предъявляло повышенные требования к математике.
Ньютон почти одновременно с немецким ученым Лейбницем создал важнейшие разделы высшей математики — дифференциальное и интегральное исчисления.
Он внес важнейший вклад в физику: открыл сложный состав белого цвета. Оказалось, что белый солнечный луч представляет собой «смесь» многих цветов. Ньютон доказал, что при помощи призмы белый цвет можно разложить на составляющие его цвета или вновь собрать их в белый цвет. Это открытие впоследствии легло в основу спектрального анализа, который со второй половины XIX в. оказал неоценимые услуги астрономии: с его помощью оказалось возможным узнать химический состав и физическую природу далеких небесных тел.
Ньютон построил отражательный телескоп, или рефлектор, в котором, в отличие от трубы Галилея, лучи света от наблюдаемого предмета собираются при помощи зеркала, а не линзы. Вообще Ньютон очень много сделал для развития оптики — важнейшего отдела физики, занимающегося изучением световых явлений.
Но самым замечательным из всех открытий Ньютона было открытие закона всемирного тяготения, управляющего движением небесных тел.
Ньютон упорно размышлял над вопросами: почему Луна, обращаясь по своей орбите вокруг Земли, не падает на нее и не улетает в сторону? Почему в то же время «земные предметы», отделившись от Земли, неизбежно снова на нее падают?
Ньютон пришел к выводу, что между всеми телами существует взаимное притяжение (которое он назвал «тяготением»), что сила этого притяжения зависит от масс притягивающихся тел и расстояния между ними. Эта зависимость определяется следующим образом: сила притяжения (тяготения) прямо пропорциональна массам притягивающихся тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Тогда сразу стало понятно, что Луну на ее орбите удерживает сила земного притяжения, а планеты, в том числе и Землю, на их орбитах удерживает сила солнечного притяжения. И всегда тяготение действует именно так, как доказал Ньютон: в зависимости от масс тел и расстояния между ними.
Во времена Ньютона еще не было возможности проверить, действует ли этот закон далеко за пределами солнечной системы, в мире звезд. Значительно позже, когда были открыты двойные звезды — звездные «пары», в которых одна является «главной» звездой, а другая ее «спутником», удалось установить, что и здесь, в звездном мире, также действует закон Ньютона. Выяснилось, что закон тяготения действует не только в солнечной системе, но и в отдаленнейших глубинах Вселенной. Вот поэтому его и назвали законом всемирного тяготения.
Открытие закона всемирного тяготения дало возможность решить такие задачи, которые раньше считались неразрешимыми. С помощью вычислений, основанных на применении закона тяготения, ученые определили массы Солнца, Луны, Земли, планет солнечной системы и их спутников. Было доказано, что Земля не является правильным шаром, а имеет «полярное сжатие», т. е. сплюснута у полюсов, что и было подтверждено измерениями Земли.
После великого открытия Коперника и трудов Галилея и Кеплера открытие закона всемирного тяготения, сделанное Ньютоном, было новой замечательной победой науки.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник
История открытия и применение закона всемирного тяготения
История открытия закона всемирного тяготения уходит далеко в прошлое и связана со множеством великих умов. Среди них Николай Коперник, родившийся почти за 200 лет до того, как закон был сформулирован более точно. Постулат окружён множеством слухов и легенд, начиная с яблока, которое изменило представление о физике того времени, и заканчивая известным соперничеством Ньютона и Роберта Гука, ставивших себя на первое место при ответе на вопрос, кто открыл закон всемирного тяготения.
Сейчас доподлинно неизвестно, что из рассказанного соответствует истине, но некоторые события и факты из задокументированных источников не нуждаются в подтверждении и представляют собой вехи развития знания людей о явлении гравитации.
Как Ньютон открыл закон всемирного тяготения
Говоря о законах классической механики, всегда упоминают сэра Исаака Ньютона. Учёный перевернул виденье своих современников об окружающем их мире и, что самое главное, математически обосновал свои предположения, которые долгие годы после смерти физика не нуждались в доработке.
С его именем связан один из постулатов современной физики, ставший в своё время объектом для множества научных дискуссий, – закон всемирного тяготения, который Ньютон открыл в 1688 году и опубликовал вместе со знаменитыми тремя законами механики, образовавшими фундамент развития науки о движении.
Наверное, каждому знакома история открытия закона всемирного тяготения, согласно которой знаменитый физик впервые задумался о явлении тяготения в тот момент, когда, гуляя по саду своей матери, увидел падение яблока. Многие уверены, что этот фрукт и вовсе упал учёному на голову, таким образом «достучавшись» до его ума. Правда это или нет, сегодня судить трудно. Быть может, этой интересной историей кто-то когда-то решил простым образом донести до ребёнка суть столь важного закона. Важно другое: несмотря на то, что до Ньютона многие учёные по-своему объясняли всемирное притяжение, именно ему удалось с присущей математике строгостью и простотой объяснить это явление.
Закон тяготения не был бы настолько привлекательным, если бы описывал только то, как тела падают на землю. В легенде его открытия существует важное уточнение о том, что Ньютон ещё в 1666 году размышлял о движении объектов, в частности Луны. Уже тогда зная, что спутник вращается вокруг Земли, учёный пытался понять причины такого поведения и увидел, как яблоко сорвалось с ветки и приземлилось рядом.
Это и послужило причиной возникновения предположения, что именно воздействие Земли вынуждает тела не зависать без поддержки в воздухе, а Луну двигаться по наблюдаемой траектории. Однако доказать это сразу не удалось: проведя все расчёты, сэр Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, но из-за несправедливого в тот момент расстояния между спутником и нашей планетой получил слишком большую погрешность, что при его щепетильном характере оказалось неприемлемым. Только спустя 22 года с новыми, более точными цифрами, учёный представил общественности свой закон.
История открытия закона всемирного тяготения
О земном притяжении задумывались ещё в Древней Греции, но большинство предложенных теорий были далеки от действительности. Сам Исаак Ньютон в своей переписке с Эдмундом Галлеем обозначал своими предшественниками французского астронома Исмаэля Буйо (Буллиальда), английского математика Кристофера Рене и английского учёного, проявившего себя не в одной науке, Роберта Гука.
«Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов», – так сказал однажды Ньютон в частном письме Гуку, и, если связать эту цитату именно с открытием закона всемирного тяготения, то не согласиться со скромностью учёного не удастся. Его догадкам действительно поспособствовали великие умы истории.
Система Коперника
История открытия закона всемирного тяготения начинается с польского астронома Николая Коперника и его труда «О вращении небесных сфер», в котором он предложил революционную для XVI века теорию, а именно гелиоцентрическую систему мира (планеты вращаются вокруг солнца).
До 1543 года общепризнанной и неоспоримой полагалась геоцентрическая модель (все планеты и солнце вращаются вокруг земли), сформулированная Птолемеем ещё во II веке, но после того, как книга Коперника была опубликована, научное мировоззрение общества потребовало существенных изменений.
О самом тяготении в сочинении астронома не было речи, но закон Ньютона затрагивает не только Землю, но и Солнечную систему. Поэтому для правильной постановки задачи, посвящённой раскрытию механизма Вселенной (чем, если говорить кратко, занимается физика как наука), важно понимать, что наша планета не является центром мироздания, что и доказал Николай Коперник.
Первые догадки Уильяма Гильберта
Имя Уильяма Гильберта особенно известно в области, изучающей электрические и магнитные явления, что, впрочем, смогло помочь ему прославиться и в механике. Гильберт был одним из первых учёных, кто согласился с Коперником и его картиной мира, но предшественником Ньютона его делает тот факт, что именно Гильберт первым высказал догадку о природе гравитации Земли и Луны.
В посмертной работе физика, изданной в 1603 году, указано предположение учёного, что наша планета и её спутник являются огромными магнитами и поэтому притягиваются друг к другу. Причём в труде указано, что магнитная сила Земли больше из-за разности масс. Такая смелая догадка в общем смысле оказалась справедливой, однако природу взаимодействия Гильберт высказал неверно: он полагал, что движение планет происходит за счёт действия магнетизма.
Три закона Кеплера в открытии закона всемирного тяготения
Первыми эмпирическими соотношениями, приблизившими открытие закона всемирного тяготения, стали законы Кеплера, первые два из которых датированы 1609 годом, а третий – 1618.
Учитель Иоганна Кеплера датский алхимик и астроном Тихо Браге первым провёл точные астрономические наблюдения за движением планет, на основании которых составил таблицу, состоявшую из координат. Получив данное наследие, Кеплер понял, что планеты движутся с определённой закономерностью, и вывел три закона, описывающих идеализированную гелиоцентрическую картину мира.
Первый закон Кеплера утверждает, что все планеты Солнечной системы обращаются вокруг звезды по эллипсу, и одним из фокусов этого эллипса является Солнце.
Второй закон Кеплера гласит, что плоскость движения планет проходит через Солнце и, если засечь одинаковые промежутки времени и провести радиусы от звезды до планеты, они будут занимать одинаковые по величине площади.
Третий закон Кеплера носит математический характер и записывается соотношением:
где T1,2 – периоды обращения двух планет вокруг Солнца,
a1,2 – длины больших полуосей орбит этих планет.
Особенность закономерностей Кеплера заключается в том, что уже за полвека до Ньютона он выделил Солнцу главенствующую роль при движении планет, однако теоретически обосновать свой вывод не смог. После первопричину его законов нашёл Ньютон.
Законы падения тел Галилео Галилея (Закон инерции)
Наряду с работой Кеплера эксперименты Галилея по падению тел также подготавливали для Ньютона почву для будущего открытия.
В XVI веке утверждение древнегреческого философа Аристотеля, что тело будет падать со скоростью, пропорциональной его массе, твёрдо установилось в умах людей. Будучи несогласным с этим мнением, Галилей провёл ряд опытов, среди которых выделяется один, не подтверждённый в трудах самого учёного, но обросший известной легендой. Согласно этой истории, итальянский физик сбросил с Пизанской башни два шара различной массы и установил, что они приземлились практически одновременно. Таким образом, теория Аристотеля была опровергнута, а в 1638 году в труде «Беседы и математические доказательства двух новых наук» Галилей сформулировал законы падения, согласно которым скорость увеличивается с увеличением времени, а путь нарастает пропорционально квадрату времени.
Помимо этого, учёный ввёл новое понятие (которое сегодня называют инерцией), показав, что тело будет покоиться или двигаться равномерно, если на него не воздействуют внешние силы. Через полвека после формулировки этого правила Галилеем Ньютон повторит его в качестве первого закона механики.
Доказательства Роберта Гука
Роберт Гук был учёным, открывшим множество явлений в разных областях физики, химии и биологии. Однако его современники часто вспоминали его как завистливого и склочного человека из-за импульсивного характера и споров об авторстве с другими учёными. Закон всемирного тяготения также стал камнем преткновения для Гука, и в момент его открытия физик заявил, что сформулировал это правило задолго до Ньютона. Частично это правда.
В 1674 году в опубликованном Гуком трактате «Попытка доказательства движения Земли» в краткой и неопределённой форме, но всё же выражается идея об универсальной силе тяжести. В письме Ньютону, датированном 6 января 1680 года, учёный привёл формулировку закона, уже более привычную для человечества сейчас, и приложил математические расчёты, справедливые для движения по круговым орбитам. Гук попросил Ньютона как человека, более сведущего в математике, заняться обоснованием закона для эллиптических орбит. Именно с этого письма началась документальная история открытия закона всемирного тяготения.
Эдмунд Галлей и его выводы из закона Кеплера
В 1684 году английский астроном Эдмунд Галлей математически доказал обратную пропорциональность силы тяжести и квадрата расстояния, выведя зависимость из третьего закона Кеплера.
Таким образом, всё было готово для точной формулировки теории тяготения Ньютона и её полного математического обоснования.
Решение задачи Исааком Ньютоном
Чтобы вывести окончательный вариант закона всемирного тяготения, Ньютон описал движение Луны вокруг Земли, оперируя радиусами планеты и спутника, а также расстоянием между ними. Важную роль при формировании математической модели играли второй и третий законы механики, к тому времени уже вычисленные Ньютоном.
Интересный факт: гравитационная постоянная G, которая присутствует в современной формуле закона притяжения, не была явно вставлена учёным в выведенный им закон. Более того, она отсутствовала в трудах физиков до XIX века.
Определение значения гравитационной постоянной
В 1798 году Генри Кавендиш при помощи крутильных весов, созданных Шарлем Кулоном, провёл эксперимент, пытаясь вычислить среднюю плотность Земли. Его установка представляла собой коромысло с двумя небольшими шарами на концах, к которым в ходе опыта подводили по шару большего размера. Из-за гравитационного воздействия между телами коромысло установки отклонялось на некоторый угол, что фиксировалось оптическими приборами. Это значение и величина упругости нити, держащей коромысло, позволили определить силу притяжения между шарами, а после и коэффициент пропорциональности, до этого момента неизвестный.
В результате своего эксперимента Генри Кавендиш рассчитал, что гравитационная постоянная равна G = 6,754∙10 -11 м 3 / (кг∙с 2 ). Сегодня это значение вычислено с большей точностью: G = 6,67384∙10 -11 Н∙м²·кг −2 .
Вычисление коэффициента пропорциональности стало одним из многочисленных применений закона тяготения.
Краткая биография великого английского учёного Исаака Ньютона
Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года. Так как отец мальчика, в честь которого он и был назван, погиб до его рождения, мать будущего учёного обзавелась новой семьёй, оставив сына на попечение родственников. Ньютон рос болезненным, но мечтательным ребёнком, уже в детском возрасте проявив любовь к чтению и разработке простых игрушек. Однако в первое время в школе мальчик плохо учился, и только случай помог изменить его отношение к учёбе. Будучи слабым ребёнком, Ньютон подвергся нападению со стороны своих одноклассников и, понимая, что едва ли сможет одолеть их физически, решил превзойти обидчиков умом.
Так, в 1661 году Исаак Ньютон стал студентом Колледжа Святой Троицы, находящегося под попечением Кембриджского университета, впоследствии связав с ним более 30 лет жизни. В период чумы, царствовавшей в Англии с 1665 по 1667 годы, Ньютон вернулся в домой, и, как после утверждал сам учёный, именно в этот период он сделал большую часть своих научных открытий.
В 1668 году после возвращения в колледж Исааком Ньютоном была получена магистерская степень, и он стал преподавателем в своей альма-матер. В последующие годы физик глубоко увлёкся алхимией, математическим анализом и проводил оптические опыты, и ему удалось изобрести телескоп-рефлектор, усовершенствованные версии которого помогли открыть многие астрономические объекты.
Ньютон был замкнутым, нелюдимым человеком, не любившим делиться своими научными результатами из-за споров и дискуссий, в которые его постоянно норовили втянуть. Зимой 1677 года в его доме случился пожар, в связи с чем сгорела большая часть его рукописных работ, а в мае того же года умер его друг Исаак Барроу, что стало невосполнимой утратой для учёного, которому за всю жизнь удалось сблизиться только с несколькими людьми.
В 1689 году, через два года после опубликования знаменитых «Начал», её автор начал административную деятельность, заседая от имени своего университета в парламенте, но в 1696 году Ньютон навсегда покинул колледж и получил должность хранителя Монетного двора.
В 1703 году Королевское общество выбрало Ньютона президентом, а в 1705 году королева Великобритании Анна даровала ему титул сэра, который был впервые присвоен за научные достижения.
Сэр Исаак Ньютон умер 31 марта 1727 года. Современники описывали, что в похоронах участвовал весь Лондон.
Вопрос о том, как был открыт закон всемирного тяготения, только на первый взгляд кажется простым. На самом деле его ответ скрывает в себе многолетний труд множества учёных, которые постепенно делали возможным данное открытие.
Источник