Прибор, измеряющий действие земного притяжения на предметы: зачем он нужен и как использовать

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:

1. Измерение периода колебаний физических маятников
2. Использование крутильных весов
3. Применение сейсмических гравиметров
4. 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.