Земное притяжение или гравитация, является фундаментальной силой природы, которая влияет на все вокруг нас. Но как же измерить это воздействие гравитации на различные объекты? В данной статье мы разберем основные методы и приборы для измерения гравитации, а также рассмотрим их практическое применение в науке и промышленности.
Физическая сущность земного притяжения и гравитации
Что же такое земное притяжение и гравитация с физической точки зрения?
Гравита́ция (от лат. gravitas — вес, тяжесть) — всеобщее тяготение, взаимодействие физических тел, обусловленное их массой.
То есть гравитация - это сила, с которой любые массивные объекты притягивают друг друга. А земное притяжение - это проявление гравитации по отношению к Земле, которая своей огромной массой притягивает к себе все окружающие объекты.
Величина гравитационного взаимодействия описывается законом всемирного тяготения Ньютона:
F = G ∙ (m1 ∙ m2)/r², где F - сила гравитационного притяжения, G - гравитационная постоянная, m1 и m2 - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между их центрами масс.
Для условий земной поверхности сила гравитационного притяжения принимает конкретное значение - гравитационное ускорение Земли, которое равно приблизительно 9,8 м/с2.
Основные методы измерения гравитации
Существует несколько основных подходов к измерению величины земного притяжения и его вариаций:
- Измерение периода колебаний физических маятников
- Использование крутильных весов
- Применение сейсмических гравиметров
- Сверхпроводящие гравиметры
Рассмотрим некоторые из этих методов подробнее.
Измерение периода колебаний маятников
Этот метод основан на том, что период колебаний маятника зависит от величины гравитационного поля, в котором он находится:
T = 2π√ (l/g), где T - период колебаний маятника, l - его длина, g - ускорение свободного падения.
Таким образом, замеряя период колебаний маятника и зная его параметры, можно рассчитать силу гравитации.
Сейсмические гравиметры
В таких гравиметрах в качестве датчика используется сейсмограф. Принцип действия основан на регистрации смещения инерционной массы относительно корпуса прибора под действием силы тяжести.
К наиболее распространенным сейсмическим гравиметрам относятся кварцевые гравиметры, разработанные советским геофизиком Б.Б. Голицыным. Достоинствами таких гравиметров являются относительная дешевизна, компактность, устойчивость к вибрациям.
Приборы для измерения гравитации
Для практических измерений гравитационного поля Земли используется целый ряд различных приборов, которые принято называть гравиметрами.
Типы гравиметров
Существует несколько основных типов гравиметров:
- Пружинные гравиметры
- Гравитационные вариометры
- Кварцевые гравиметры
- Струнные гравиметры
- Сверхпроводящие гравиметры
Рассмотрим некоторые из них:
- Гравитационный вариометр. Этот прибор также называют гравиметр. Он позволяет замерять относительные вариации силы тяжести - разность между двумя точками на местности. Принцип действия основан на регистрации смещения пружинной системы под действием гравитации.
- Маятник Фуко. Один из классических и хорошо известных гравиметрических приборов. Представляет собой маятник в виде груза на нити. Путем измерения периода колебаний этого маятника можно определить силу гравитации (см. выше).
- Весы как гравиметрический прибор. На бытовом уровне наиболее распространенным прибором для измерения действия гравитации являются обычные весы. Весы позволяют косвенно оценить силу, с которой Земля притягивает к себе различные объекты. Принцип действия весов основан на уравновешивании силы тяжести взвешиваемого предмета посредством гири или пружинной системы с известной жесткостью. По величине уравновешивающей силы судят о массе предмета и действии на него земного притяжения.
Другие типы гравиметрических приборов
Помимо перечисленных выше, существуют и другие разновидности приборов, измеряющий земное притяжение:
- Инерциальные гравиметры
- Лазерные гравиметры
- Квантовые гравиметры
Измерение гравитации в полевых условиях
Большинство практических задач требует измерений гравитационного поля непосредственно в конкретной точке местности, а не в лаборатории. Для таких целей используются переносные полевые гравиметры.
Основные требования к полевым гравиметрам
К полевым измерениям предъявляется ряд важных требований:
- Высокая точность измерений при относительно небольших габаритах и весе
- Устойчивость к ударам и вибрациям
- Низкое энергопотребление
- Простота и удобство эксплуатации в полевых условиях
Данным критериям в наибольшей степени соответствуют приборы кварцевого и пружинного типов.
Применение гравиметрии на практике
Измерение гравитационного поля Земли находит широкое применение в различных областях:
- Геологоразведка. Одно из основных направлений использования приборов, измеряющих земное притяжение - геологоразведка и поиск месторождений полезных ископаемых. Измеряя локальные гравитационные аномалии, можно судить о наличии залежей руды, нефти, газа и других ценных материалов под землей.
- Изучение глубинного строения Земли. Данные гравиметрических съемок используются в геофизике для изучения внутреннего строения Земли и движения литосферных плит. Это позволяет лучше понимать процессы, происходящие в земной коре.
- Контроль плотности материалов. В промышленности приборы применяются для оперативного контроля плотности различных материалов и сыпучих веществ на производстве.
Другие области использования
Измерение гравитационного поля также находят применение в навигации и ориентации подводных лодок, самолетов, космических аппаратов, при археологических исследованиях и даже в сельском хозяйстве.
