Таинственная сила, которая заставляет все падать на Землю, известна человечеству с незапамятных времен. Однако лишь Ньютон раскрыл ее природу, открыв закон всемирного тяготения. Что же представляет собой эта удивительная сила и как она проявляет себя на нашей планете? Давайте разберемся!
Сущность ускорения свободного падения
Ускорение свободного падения - это ускорение, которое приобретает тело при падении под действием только силы тяжести. Оно численно равно силе тяжести, действующей на единицу массы тела.
Ускорение свободного падения не зависит от массы или формы падающего тела. Оно определяется только свойствами небесного тела, на поверхности или вблизи которого происходит падение.
Хотя ускорение свободного падения тесно связано с силой тяжести и весом, между этими величинами есть различия:
- Сила тяжести зависит только от массы тела и планеты
- Вес зависит еще и от движения тела или его опоры
- Точка приложения силы тяжести - центр масс тела
- Точка приложения веса - опора тела
Формула для расчета ускорения свободного падения выглядит так:
g = G * M / R2 |
где G - гравитационная постоянная, M - масса планеты, R - радиус планеты. Подставляя разные значения, можно рассчитать ускорение свободного падения для любой планеты или спутника.
Измерение ускорения свободного падения
Для измерения ускорения свободного падения используют специальные приборы - гравиметры. Они бывают двух типов:
- Абсолютные - измеряют ускорение напрямую
- Относительные - измеряют изменение ускорения относительно опорного значения
Кроме прямых измерений, ускорение свободного падения можно рассчитать по таким параметрам планеты как масса, радиус, угловая скорость вращения. Данные для расчетов можно получить, анализируя орбиты спутников.
Однако все измерения имеют погрешности. Даже на Земле значение ускорения свободного падения варьируется в зависимости от широты, высоты над уровнем моря, рельефа местности, плотности горных пород.
Ускорение свободного падения на Земле
Стандартное значение ускорения свободного падения на Земле принято считать равным 9,81 м/с2. Однако на самом деле оно варьирует в разных точках планеты.
На экваторе из-за центробежных сил, возникающих при вращении Земли, ускорение свободного падения немного меньше и составляет 9,78 м/с2.
В полярных областях, где радиус Земли меньше из-за сплюснутой формы, ускорение свободного падения достигает 9,83 м/с2.
При удалении от поверхности планеты с ростом высоты ускорение свободного падения уменьшается по закону всемирного тяготения Ньютона.
Причины вариаций на Земле
Существует несколько причин, по которым ускорение свободного падения на Земле варьируется в разных точках:
- Центробежная сила, возникающая из-за вращения планеты вокруг оси
- Неоднородное распределение массы в недрах Земли
- Отклонение формы Земли от идеальной сферы
- Локальные гравитационные аномалии, вызванные плотностными неоднородностями в земной коре
Центробежная сила объясняет более низкие значения ускорения на экваторе. Гравитационные аномалии используют в геологоразведке для поиска полезных ископаемых.
Сравнение со свойствами других планет
Каждая планета и спутник в Солнечной системе имеют уникальное значение ускорения свободного падения. Оно зависит от их размера, массы и плотности.
На Меркурии с ускорением 3,7 м/с2 какое-то яблоко упадет в 2,5 раза медленнее, чем на Земле. А на Юпитере с ускорением 24,8 м/с2 то же яблоко рухнет в 2,5 раза быстрее!
У газовых гигантов огромные значения ускорения свободного падения, зато плотность их атмосфер невелика. Поэтому предметы и люди будут падать к их поверхности очень медленно.
Применение знаний в жизни
Понимание особенностей ускорения свободного падения позволяет объяснить многие природные явления на Земле и других планетах.
Эти знания необходимы при осуществлении космических полетов, для расчета орбит спутников и траекторий межпланетных аппаратов.
На Земле данные об ускорении свободного падения используют в гравиразведке полезных ископаемых, нивелировании местности, прогнозе оползней и обвалов.
Интересные факты
Ускорение свободного падения, открытое Ньютоном, до сих пор таит в себе загадки и удивляет ученых.
Так в 2007 году итальянский физик Антонио Дженовезе провел в Турине забавный эксперимент, сбросив с крыши две одинаковые пушинки. Одна из них опустилась быстрее другой, что должно было быть невозможно с точки зрения физики!
Интересные факты
Эксперимент с пушинками Дженовезе вызвал большой интерес в научном сообществе, так как бросил вызов устоявшимся представлениям о гравитации. Хотя позже выяснилось, что на траектории одной из пушинок сказались порывы ветра.
В художественной литературе тема ускорения свободного падения также нашла свое отражение. Так, фантаст Роберт Хайнлайн в романе "Луна жестокая хозяйка" подробно описывает особенности движения предметов и людей в условиях пониженного притяжения.
Забавные случаи
Иногда на практике люди сталкиваются с комичными ситуациями, связанными с действием силы тяжести. К примеру, американский астронавт Гаррет Рейзман во время одного из своих полетов потерял инструмент, который улетел и ударил его по голове, заставив засомневаться в действии невесомости.
В космосе нет понятия "верх" и "низ". Но это не мешает предметам стукнуть тебя по голове, когда ты меньше всего этого ожидаешь.
Неожиданные аналогии
Хотя ускорение свободного падения - чисто физическое явление, иногда его сравнивают с процессами в обществе и человеческой жизни. Например, социологи определили понятие "социального лифта" - скорости передвижения людей между различными слоями общества.
Также известно выражение: "Падающий набирает скорость". Это отсылка к тому, что с увеличением глубины падения растет и скорость падения объекта согласно законам физики.
Влияние на организм человека
Изменение силы тяжести существенно сказывается на состоянии человеческого организма. Уменьшение гравитационной нагрузки в космосе ведет к атрофии мышц и остеопорозу. А резкий рост перегрузок при взлетах и посадках способен вызвать шок и даже летальный исход.
Адаптация коренных жителей
У коренных жителей регионов с экстремальным значением g наблюдаются интересные физиологические особенности. Например, андийские индейцы, проживающие в горах, отличаются повышенной выносливостью и сопротивляемостью гипоксии.
Тренировки космонавтов
Для подготовки к космическим полетам будущие космонавты проходят специальные тренировки на центрифугах, где моделируется действие перегрузок при взлете и посадке. Таким образом организм адаптируется к резким скачкам гравитации.
Лечение отходами от нуля g
Отрицательное воздействие невесомости на организм частично удается компенсировать с помощью физических тренировок и специального питания. Однако полностью предотвратить атрофию мышц и костей пока не удается.
Перспективы дальнейших исследований
Несмотря на многовековую историю изучения, феномен ускорения свободного падения до конца не разгадан. Ученых интересуют аномалии гравитационного поля Земли, тайны черных дыр и возможность создания искусственной гравитации.
Открытия в этой области сулят человечеству новые технологии, позволяющие осваивать космос и улучшать жизнь на Земле.
