Закон всемирного тяготения

Закон Ньютона не случайно назван всемирным. Сфера его действия не ограничена Землей и даже Солнечной системой. Он описывает взаимодействие любых тел во Вселенной: звезд, планет, спутников, комет, метеоритов.

Почему яблоки падают вниз?

В то самое время, когда молодой ученый Исаак Ньютон получил степень бакалавра, в Англии вспыхнула эпидемия чумы. Кембриджский университет закрыли, и Ньютон отправился в поместье своей матери. Два года, что он там провел, полностью изменили науку того времени, потому что Ньютон сделал несколько фундаментальных открытий, в том числе вывел закон всемирного тяготения.

Как он рассказывал в старости, мысль о существовании закона всемирного тяготения пришла к нему, когда он смотрел, как с деревьев падают спелые яблоки. В тот момент на небе была видна Луна. И вот, глядя на Луну, которая, как он знал, вращается вокруг Земли, и на яблоки, которые падают вниз, Ньютон вдруг понял, что и в том, и в другом случае действует одна и та же сила. Эта сила заставляет земные предметы падать вниз, и она же удерживает спутник Земли на орбите, не позволяя ему умчаться в космос.

Говорят, история с падением яблока на голову Ньютона не более чем миф. Но достоверно известно, что ученый любил предаваться размышлениям в яблоневом саду своей матери

Это было величайшее открытие, с математической точностью объяснившее движение небесных объектов и многие явления, происходившие на Земле. Сила тяготения (притяжения) — одна из самых универсальных в природе. Она действует между любыми объектами, обладающими массой. А так как материи без массы не бывает, то исключений для этой силы нет. Если бы мы могли видеть притяжение в виде нитей, то в любой точке пространства наблюдалось бы бесчисленное количество таких нитей, связывающих всё со всем. «Отгородиться» от силы тяготения невозможно, не существует никаких защитных экранов, которые были бы препятствием для этой вездесущей силы.

«Природа проста и не роскошествует излишними причинами.» Исаак Ньютон

Бесконечное падение

Ньютон был не первым, кто заметил, то тела падают на Землю. Еще Галилей изучал ускорение свободного падения. Но он считал, что сила притяжения действует только на Земле, максимум — распространяется до Луны. Кеплер, открывший законы движения планет, был уверен, что эти законы действуют только в космосе. И только гений Ньютона позволил объединить «земное» и «небесное». Ньютон стал первым, кто доказал, что и на Земле, и в космосе действуют одинаковые силы и одинаковые законы, и важнейший из них — закон всемирного тяготения.

Этот портрет Ньютона в возрасте 46 лет был написан спустя 2 года после публикации его самых важных открытий. Необычно то, что на картине Ньютон изображен не в парике, а с собственными волосами.

Для того чтобы лучше понять единство этого закона, можно провести мысленный эксперимент. Представим, что мы стоим на краю высокого обрыва, рядом со старинной пушкой, и у наших ног лежат тяжелые чугунные ядра. Если просто столкнуть ядро с обрыва, то оно упадет вертикально вниз. Если же выстрелить ядром из пушки, то оно тоже упадет, но сначала полетит вперед и опишет в воздухе дугу. Здесь на ядро, кроме силы притяжения, действует и другая сила, придавшая ему начальное ускорение.

Теперь попробуем представить, что наша сверхмощная пушка может выстрелить ядро с такой силой, чтобы оно облетело вокруг Земли и снова вернулось в исходную точку. Что произойдет в этом случае? Ядро не упадет, а продолжит двигаться вокруг нашей планеты по круговой орбите. Получается, мы создали искусственный спутник.

Эта книга Ньютона — одна из самых важных в истории человечества. Заглавие ее в переводе с латыни означает «Математические начала натуральной философии».

На самом деле движение Луны вокруг Земли, Земли вокруг Солнца или искусственного спутника вокруг планеты — это постоянное «падение», вызванное силой гравитации и объясняемое законом всемирного тяготения. Из-за того, что скорость движения очень высока, меньшее тело не падает на большее, стремясь перемещаться по прямой линии. Но улететь они тоже не могут, так как их держит вездесущая сила тяготения — та же самая, что заставляет яблоки падать вниз.

«Он не позволял себе никакого отдыха и передышки… считал потерянным всякий час, не посвященный занятиям… Думаю, его немало печалила необходимость тратить время на еду и сон», — вспоминал о Ньютоне его помощник

Открытие Нептуна

Планету Нептун открыли благодаря ньютоновскому закону тяготения. В начале XIX века астрономы заметили, что Уран не просто следует по своей орбите, но ведет себя так, точно она испытывает возмущения со стороны какого-то другого тела. На основе закона Ньютона были сделаны различные предсказания, и в 1846 году планета Нептун, названная так в честь морского божества, была обнаружена очень близко от того места, в котором ее ожидали увидеть. Британские и французские астрономы не пришли к согласию относительно того, кто сделал это открытие, приписываемое и Джону Куху Адамсу, и Урбену Леверье. Нептун обладает массой, в 17 раз превосходящей массу Земли, и является «газовым гигантом» с толстой и плотной атмосферой, состоящей из водорода, гелия, аммиака и метана, окружающей еще более плотное ядро. Облака на Нептуне синеватые — из-за метана. На нем дуют самые сильные в Солнечной системе ветра — до 2500 километров в час.

Приливы

В своих «Началах» Ньютон описал и формирование на Земле океанских приливов. Они возникают оттого, что Луна с разной силой притягивает воду, находящуюся на ближней и дальней сторонах Земли, между тем как сама Земля притягивает воду одинаково. Различие в гравитационном притяжении на разных сторонах Земли заставляет воду вздуваться в направлении Луны и отступать от нее, отчего каждые 12 часов и возникают приливы и отливы. Хотя более массивное Солнце и притягивает Землю с большей, нежели маленькая Луна силой, последняя создает более сильный приливный эффект, поскольку находится ближе к Земле.

Закон обратной пропорциональности квадрату расстояния означает, что близкая Луна создает гораздо больший, чем далекое Солнце, гравитационный градиент (разница между ближней и дальней сторонами Земли). Во время полнолуния или когда Луна совсем молода, Земля, Солнце и Луна выстраиваются на одной линии и возникают особенно высокие приливы, именуемые «сизигийными». Когда же эти тела образуют угол в 90^о, возникают самые слабые приливы, «квадратурные».