Доклад ньютон. Доклад. Всемирное тяготение и астрономия
 Скачать 20.12 Kb.
|
|
ВСЕМИРНОЕ ТЯГОТЕНИЕ И АСТРОНОМИЯ Сенча Е.В. Руководитель – доцент, к.ф.-м.н. Ветчинов А.В. ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Ученые издавна пытались понять законы движения небесных тел. Так, например, Кеплер первым предположил, что движение планет управляется силами, исходящими от Солнца. В его теории было три таких силы: одна, круговая, подталкивает планету по орбите, действуя по касательной к траектории (за счет этой силы планета и движется), другая то притягивает, то отталкивает планету от Солнца (за счет неё орбита планеты является эллипсом) и третья действует поперек плоскости эклиптики (благодаря чему орбита планеты лежит в одной плоскости). Подобные теории выдвигались и другими учеными. В 1666г. Роберт Гук высказал предположение, что одной только силы притяжения к Солнцу вполне достаточно для объяснения движения планет, просто нужно предполагать, что планетная орбита является результатом сочетания падения на Солнце (благодаря силе притяжения) и движения по инерции (по касательной к траектории планеты). По его мнению, эта суперпозиция движений и обуславливает эллиптическую форму траекторию планеты вокруг Солнца. Близкие взгляды, но в достаточно неопределенной форме, высказывал и Кристофер Рен. Однако никто до Ньютона не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера). Более того, именно Ньютон первым догадался, что гравитация действует между двумя любыми телами во Вселенной; движением падающего яблока и вращением Луны вокруг Земли управляет одна и та же сила. Наконец, Ньютон показал, что открытых им закона всемирного тяготения и законов движения достаточно для полного исследования самых сложных движений небесных тел, что заложило основы небесной механики. Первым аргументом в пользу ньютоновской модели послужил строгий вывод на её основе эмпирических законов Кеплера. Позже с помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые движения небесных тел. Закон тяготения позволил решить не только проблемы небесной механики, но и ряд физических и астрофизических задач. Ньютон указал метод определения массы Солнца и планет. Он открыл причину приливов: притяжение Луны. Выдающиеся успехи небесной механики утвердили мнение об адекватности ньютоновской теории тяготения. Еще в стародавние времена ученые начали понимать, что не Солнце вращается вокруг Земли, а все происходит с точностью наоборот. Точку в этом спорном для человечества факте поставил Николай Коперник. Польский астроном создал свою гелиоцентрическую систему, в которой убедительно доказал, что Земля не является центром Вселенной, а все планеты, по его убеждению, вращаются по орбитам вокруг Солнца. Работа польского ученого «О вращении небесных сфер», была издана в немецком Нюрнберге в 1543 году. После смерти Коперника его труды продолжил датчанин Тихо Браге. Астроном, являющийся весьма состоятельным человеком, оборудовал принадлежащий ему остров, внушительными бронзовыми кругами, на которые наносил результаты наблюдения за небесными телами. Результаты, полученные Браге, помогли в исследовании математику Иоганну Кеплеру. Кеплер узнал об учении Коперника, когда учился в университете. Оказывается, Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца! Но какие причины заставляют их двигаться? Какие законы природы управляют этим движением? Всё свободное время Кеплер наблюдал, вычислял, писал книги. И почти каждая из них была открытием в математике, физике, астрономии. Иоганн Кеплер изобрел телескоп и пользовался им в своих наблюдениях. Он открыл законы движения планет и считал, что причина движения планет вокруг Солнца – солнечное притяжение. Приливы и отливы в океанах и морях он объяснял лунным притяжением, которое заставляет перемещаться огромные массы воды в строго определенное время. Кеплер с высокой точностью рассчитывал положение планет на небе в любое время года. Он составил таблицу солнечных и лунных затмений и объяснил их причину. Изучая систему Николая Коперника, а также анализируя результаты астрономических наблюдений датчанина Тихо Браге, Кеплер вывел основные законы относительно движения планет. Согласно первому закону Кеплера, все планеты нашей системы движутся по замкнутой кривой, называемой эллипсом. Наше светило располагается в одном из фокусов эллипса. Всего их два: это две точки внутри кривой, сумма расстояний от которых до любой точки эллипса постоянна. После длительных наблюдений ученый смог выявить, что орбиты всех планет нашей системы располагаются почти в одной плоскости. Некоторые небесные тела двигаются по орбитам-эллипсам, близким к окружности. И только Плутон с Марсом двигаются по более вытянутым орбитам. Второй закон Кеплера говорит о следующем: каждая планета перемещается в плоскости, проходящей через центр нашего светила. В одно и то же время радиус-вектор, соединяющий Солнце и исследуемую планету, описывает равные площади. Таким образом, ясно, что тела движутся вокруг желтого карлика неравномерно, а имея в перигелии максимальную скорость, а в афелии – минимальную. По третьему закону Кеплера, между периодом обращения планет вокруг светила и ее средним расстоянием от него устанавливается связь. Этот закон ученый применил ко всем планетам нашей системы. Великие открытия принесли Кеплеру мировую славу. После смерти Кеплера осталось 45 томов напечатанных и много ненапечатанных научных работ. Открытия Кеплера сыграли огромную роль в развитии астрономии. И в наше время ученые, рассчитывая трассы космических ракет, используют законы движения планет, открытые великим немецким астрономом. Важные открытия совершил и известный английский естествоиспытатель Роберт Гук. Он разработал теории о свете, тяготении и строении материй, усовершенствовал прибор, позволяющий изучать магнитное поле Земли. В 1686 между британским физиком Исааком Ньютоном и Гуком разгорелась дискуссия, связанная с законом всемирного тяготения. Вероятно, Гук самостоятельно пришел к пониманию пропорционального отношения между силой притяжения и квадратом расстояния между телами, что позволило ему обвинить автора «Начал» в плагиате. На эту тему физиком было написано письмо в Королевское общество. Тем не менее, Ньютон более детально описал этот вопрос, правильно определил закон взаимодействия и сформулировал важнейшие законы механики. На их основе он объяснил движение планет, отливы и приливы, сделал немало других важных открытий. Стоит отметить, что законы Кеплера смогли объяснить только после открытия Ньютоном закона тяготения. Широко известен рассказ о том, что на открытие закона всемирного тяготения Ньютона навело неожиданное падение яблока с дерева. Но ведь падение предметов видели и другие ученые и пытались его объяснить. Однако никто не сумел этого сделать до Ньютона. Почему яблоко всегда падает не в сторону, подумал он, а прямо вниз, к земле? Впервые он задумался над этой задачей ещё в молодости, но её решение опубликовал лишь через 20 лет. Открытия Ньютона не были случайностью. Он подолгу обдумывал свои выводы и опубликовывал их только тогда, когда был абсолютно уверен в безошибочности и точности. Ньютон установил, что движение падающего яблока, брошенного камня, Луны и планет подчиняется общему закону притяжения, действующему между всеми телами. Этот закон до сих пор остается основой всех астрономических расчетов. С его помощью ученые точно предсказывают затмения Солнца и рассчитывают траектории космических кораблей. Так, в «Началах» Ньютон, обобщив исследования И.Кеплера, Р.Гука и других ученых, а также свои собственные, создал стройную систему земной и небесной механики, которая легла в основу всей классической физики. Здесь Ньютон дал определения исходных понятий – массы, количества движения, инерции, силы, ускорения, центростремительной силы; сформулировал три основных закона движения и, конечно же, закон всемирного тяготения, на основе которого разработал теорию движения небесных тел. Закон всемирного тяготения звучит следующим образом: «Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними». В «Началах» Ньютон рассмотрел также движение тел в сплошной среде (газе, жидкости), скорость распространения звука в упругих средах. Ученый признавал объективное существование материи, пространства и времени, объективность законов природы и их принципиальную познаваемость. Поскольку оказалось, что закон всемирного тяготения работает на огромных расстояниях от Земли, а значит, работал и миллиарды лет тому назад, закон тяготения принято называть законом всемирного тяготения, подчеркивая его всеобщность и фундаментальность в нашей Вселенной. Открытие Исаака Ньютона позволило не только объяснить множественные “странности” в поведении массивных небесных тел: особенности в движении Луны, явление прецессии, приливы, сжатие газовых гигантов у полюсов, движения в системах двойных звезд, но также помогло «взвесить» Землю и другие планеты и даже предсказывать будущие открытия. Так, например, ещё в 1798 г. Пьер Лаплас фактически обосновал то явление, что мы сейчас называем “черной дырой”, рассчитав, что если некая звезда достигнет невероятной массы и плотности вещества, то её излучение не сможет уйти от неё и этот объект просто “исчезнет” для стороннего наблюдателя. Правда, как и любые другие законы, закон всемирного тяготения имеет определенные границы применимости. Он справедлив для: - материальных точек; - тел, имеющих форму шара; - шара большого радиуса, взаимодействующего с телами, размеры которых много меньше размеров шара. Закон неприменим, например, для взаимодействия бесконечного стержня и шара. В этом случае сила тяготения обратно пропорциональна только расстоянию, а не квадрату расстояния. А, скажем, сила притяжения между телом и бесконечной плоскостью вообще не зависит от расстояния. Подводя итоги, можно сказать, что с помощью закона всемирного тяготения к людям пришло понимание как устроена наша вселенная, был отправлен человек в космос. Закон позволил открыть новые планеты – Нептун и Плутон. В нашем современном мире он имеет очень большое значение. |