Гравитационный колодец что это такое
Обновлено: 07.07.2024
Гравитационный колодец
Гравитационный колодец - концепция рассмотрения гравитационного поля небесных тел, интерпретация графика их гравитационного потенциала: чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец.
Так, Солнце, как самый массивный объект Солнечной системы, порождает в ней самый большой и глубокий колодец. Центр гравитационного колодца, порождаемого телом, совпадает с его центром масс и рассматривается, как его "дно", а процесс высвобождения из гравитационного поля тела - как "вылезание из гравитационного колодца". Чем глубже гравитационный колодец, тем больше энергии требуется, чтобы из него выбраться. Для покидания гравитационного колодца какого-либо тела, надо достичь относительно него второй космической скорости.
В астрофизике гравитационный колодец имеет конкретный смысл поля гравитационного потенциала вокруг массивного тела. Среди других типов потенциальных колодцев рассматриваются электрический и магнитный потенциальные колодцы. Иногда физические модели гравитационных колодцев используются для иллюстраций в небесной механике.
1. Детали
Гравитационный потенциал сферически симметричного тела массы M вне этого тела задаётся формулой
Φ x = − G M | x |, =- <|\mathbf
График этой функции на двумерной плоскости гиперболоид показан справа, с дополнением графиком потенциала внутри тела постоянной плотности, хотя эта часть графика и бессмысленна, поскольку орбита не может пересекать тело.
Если у фотонов нет массы, то почему чёрные дыры их притягивают?
Это очень хороший вопрос, потому что он предоставляет возможность подробнее рассказать о том что такое гравитация, как работает теория относительности и как устроено наше пространство-время.
Чёрный дыры и вправду преломляют свет, проходящий рядом с ними. Данный эффект называют гравитационным линзированием, он был открыт достаточно давно и присущ не только чёрным дырам, но и любым другим массивным телам. На чёрных дырах он просто лучше всего виден.
Большинство людей считают так: у фотонов нет массы, значит, по закону всемирного тяготения, на них не должна действовать гравитация. Верно же?
Однако, это правильно лишь с точки зрения ньютоновской гравитации, которая хоть и подходит для обыденных расчётов, но абсолютно не даёт понимания, что собой представляет гравитация. Закон всемирного тяготения Ньютона является эмпирическим, он даёт простую формулу, по которой можно рассчитать силу притяжения между массивными объектами, но он не объясняет, откуда эта сила берётся.
Когда речь заходит о природе гравитации и её особых свойствах нам на помощь приходит общая теория относительности (ОТО). Эйнштейн описал гравитацию, как искривление пространства-времени, и именно в результате него, тела притягиваются друг к другу.
Любое тело, обладающее массой, прогибает под собой ткань пространства-времени и образует так называемый гравитационный колодец.
Обычно это иллюстрируют при помощи аналогии как на размещённом выше фото: массивный металлический шар в центре существенно искривляет под собой двумерную ткань пространства, а искривление ткани под шаром вызывает меньшее искривление вокруг него. Благодаря размеченной на ткани заранее сетке отлично видно как искривляются прямые траектории вблизи массивного тела.
Чем массивнее будет объект, тем глубже будет его гравитационный колодец, а чем плотнее объект, тем более крутыми будут стенки колодца. Гравитационный колодец чёрной дыры вообще будет бесконечно глубоким.
В пространстве фотоны всегда движутся по прямой, однако, когда они пролетают через гравитационный колодец, то, с точки зрения внешнего наблюдателя, их траектория искривляется также как искривлялись прямые на ткани рядом с металлическим шаром.
Таким образом, для внешнего наблюдателя траектория фотона вблизи чёрной дыры выглядит искривлённой, но, с точки зрения самого фотона, он всегда движется по прямой, просто на его пути искривляется само пространство. Когда же фотон попадает под горизонт событий чёрной дыры, то пространство становится настолько кривым, что траектория фотона через него становится бесконечно длинной. Попытка фотона вылететь из-под горизонта событий становится похожа на попытку добежать до конца чрезвычайно быстрой беговой дорожки.
Автор: Фёдор Карасенко.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon .
Что такое гравитационный манёвр?
Многие, кто интересуется изучением знают, что космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» совершили гравитационные манёвры возле планет-гигантов, что позволило им набрать нужную скорость для того, чтобы покинуть солнечную систему.
На самом деле гравитационный манёвр совершали не только Вояджеры, но и многие другие космические аппараты. Так к примеру первый в истории гравитационный манёвр выполнил советский зонд Луна-3 во время облёта Луны, также гравитационный манёвр совершали космические аппараты Розетта, Новые Горизонты, солнечный зонд Паркер, Кассини, космические корабли программы Аполлон и многие другие. Давайте разберёмся в том что же такое гравитационный манёвр.
Гравитационный манёвр — это способ изменения скорости и направления движения космического аппарата с помощью гравитации крупных небесных тел.
Траектория космического аппарата изменяется, когда КА проходит через гравитационный колодец массивного небесного тела. Чем «глубже» погружается в гравитационный колодец КА, тем существеннее изменение его траектории. Чем ближе к планете проходит КА тем сильнее изменение его траектории.
Музей Лунариум
Экспонат «Гравитационный колодец» демонстрирует поведение небесного тела, которое оказалось в области влияния чёрной дыры.
Что же такое чёрная дыра и почему у данного объекта столь необычное название? Для ответа на этот вопрос необходимо познакомиться с понятием гравитации.
Закон, описывающий гравитационное взаимодействие, был открыт Ньютоном в 1666 году. Из этого закона следует, что каждое тело, обладающее массой, порождает силовое поле притяжения к этому телу, которое называется гравитационным полем, а явление притяжения – гравитацией.
Следовательно, чем массивнее звезда или планета, тем большее притяжение с ее стороны должны испытывать другие тела (частицы) и тем труднее покинуть поверхность такого тела.
Английским астрономом Дж. Мичеллом в 1783 г. была выдвинута гипотеза о том, что в природе могут существовать массивные звезды, притяжение которых столь велико, что даже частицы света (обладающие самой большой на сегодняшний день скоростью, скоростью света с ≈ 300 000 км/с) уже не смогут это притяжение преодолеть. Таким образом, такие объекты всегда будут казаться чёрными для внешнего наблюдателя, хотя сами по себе могут светиться ослепительным блеском, как Солнце.
Окончательное теоретическое открытие чёрных дыр состоялось в 1939 г., Оппенгеймером и Снайдером, а сам термин чёрная дыра впервые был введен в науку американским физиком Дж. Уиллером в 1968 г.
Итак, чёрная дыра – область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света).
Граница чёрной дыры носит название горизонта событий, так как никакие сведения о событиях внутри чёрной дыры не могут распространяться во Вселенной за пределами этого горизонта.
Чёрные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд (массивными считаются звезды, масса которых в 3 и более раз превышает массу Солнца). При наличии водорода в недрах звезды протекают химические реакции, поддерживающие ее в равновесии. Но вот «горючее» в звезде выгорает, и равновесие нарушается. Звезда начинает сжиматься, сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Наступает момент, при котором для отрыва от поверхности требуется скорость, превышающая скорость света. Во Вселенной появляется черная дыра.
Бросая монетку в воронку экспоната, мы наблюдаем, как она движется по спирали к центру воронки, стремительно набирая скорость. На самом деле черная дыра притягивает газ из окружающего пространства, и вначале он собирается в диск возле нее. От столкновений частиц газ разогревается, теряет энергию, скорость и начинает по спирали приближаться к черной дыре. Газ, нагретый до нескольких миллионов градусов, образует вихрь, имеющий форму воронки. Его частицы мчатся со скоростью 100 000 км/с и, по мере приближения к черной дыре, все больше разгоняются. Когда они приблизятся к черной дыре, их скорость достигнет скорости света. Так, подобно нашей монетке, упавшей в центр воронки, небесные объекты, все стремительнее приближаясь к черной дыре, в конечном итоге будут поглощены ею.
crustgroup
Автор любого фантастического произведения вынужден всегда каким-то образом изменить текущую реальность, в которой привык существовать его зритель или читатель.
Однако, с другой стороны, такое изменение должно быть логичным и непротиворечивым и, желательно не должно нарушать законы физики, химии, биологии и социологии.
Конечно, последние две науки достаточно плохо формализованы, а социологию на фоне её преданного служения политике, и вообще все воспринимают не иначе, как проститутку; но и в социологии, и в биологии тоже есть свои законы.
При этом — многие, к сожалению, воспринимают здание науки в виде этакого «воздушного замка», этажи которого можно легко перекроить под свои личные фантазии.
Ведь восприятие физики, например, у масс в чём-то унаследовано из средней школы, в которой они легко поняли классическую механику Ньютона и «забуксовали» потом, уже в зрелой жизни, на Специальной Теории Относительности (СТО) Эйнштейна.
Поэтому-то их восприятие СТО выглядит таким образом: «Пришёл Эйнштейн и не оставил на построениях Ньютона камня на камне». В то время, как Эйнштейн лишь дополнил построения Ньютона и, убери вы из формул Эйнштейна большие скорости — вы вполне получите классические формулы Ньютона.
Для сомневающихся — хорошая ссылка на советский фильм, который доступно объясняет, что такое «эта ваша СТО».
Простые фразы, понятые объяснения — да и пиво можно было пить прямо в поезде, не опасаясь разборок с транспортной милицией.
Социология была немного другая.
Но речь у нас сегодня не о далёком и вроде бы понятном нам 1964 годе, в о неизвестном и загадочном 2154, в котором и будут жить наши с вами пра-пра-правнуки.
Что изменится и что останется неизменным в этом весьма далёком от нас будущем? И не нарушили ли какие-то «вечные» законы физики или социологии создатели фильма «Элизиум»?
Ведь любая иллюстрация должна отражать некий конструкт, который, как мы помним, в случае фантастики, должен быть практически идеально непротиворечив.
Иначе — это уже будет не фантастика, а фэнтези.
В которой техножрецы в вышиванках или наукомаги в косоворотках будут рассказывать вам о том, как мы «будем пронзать пространство подобно Аполлону!» на хренобасе массой в тридцать тонн.
Вот о хренобасах мы и поговорим.
А потом и придём к вопросу о наших пра-пра-правнуках.
Надо сказать, что вопрос челночного транспорта между поверхностью и станцией в фильме «Элизиум» проработан из рук вон плохо.
То есть, конечно, в идеале и пренебрегая всеми законами физики, можно себе представить некий хренобас весом в тонн тридцать, который с лёгкостью достигнет первой космической скорости и доставит вас на космическую станцию, обращающуюся на низкой околоземной орбите.
Именно так, не заморачиваясь на ненужные в представлении авторов детали, и нарисован в фильме челночный корабль будущего:
Вот так, просто и незатейливо, погрузив тушку почётного Гражданина в некий аналог нью-йоркского такси, мы быстро и непринуждённо сначала стартуем на вертикальном взлёте, а потом последовательно достигаем сперва сверхзвука, а потом и первой космической скорости.
Причём концепция данного пепелаца явно предполагает именно давний и испытанный принцип реактивной тяги, который и служит нам исправно для движения объектов тяжелее воздуха вот уже без малого больше века.
Отдельным сюжетом, конечно, можно разобрать и «страшное оружие» главного антагониста фильма, которым он, играючи, сшибает данные челноки уже на подлёте к орбитальной станции:
Но тут уж, извините «на войне, как на войне» — какие у вас шаттлы, такие у нас и ракеты.
Если у вас шаттл массой в тридцать тонн спокойно долетает до орбитальной станции, то и сбивать его ракетой массой в полкило — тоже не западло.
На вашу хитрую жопу у нас есть хрен с пропеллером — шах и мат, атеисты-физики!
Хорошо, скажет в этот момент внимательный читатель?
А что так активно не нравится автору в построениях создателей фильма «Элизиум»?
Да вот это-то и не нравится, господа. Нарушение массы физических законов, разбор которых и покажет нам, как на деле может быть собрана с Земли такая конструкция орбитальной станции, которая показана в фильме.
И зачем, собственно говоря, нам нужна такая орбитальная махина.
Итак, магия настоящей физики начинается.
Сначала разберём в деталях сам принцип реактивного движения. Вообще, надо сразу оговориться, что любое движение по факту — реактивное.
Об этом недвусмысленно говорит нам закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса и третий закон дедушки нашего Ньютона, который «наше всё».
Просто в том случае, если мы говорим о движении автомобиля по дороге или тепловоза по рельсам — то мы оперируем силами реакции опоры, от которой незримо отталкиваются автомобиль или тепловоз.
То есть, будь у нас Земля размером и массой, сравнимым с нашим тепловозом или автомобилем — и их движение вызывало бы противоположное по знаку движение самой Земли. Как и происходит в школьных опытах.
Однако, понятным образом, громадная масса всей Земли позволяет нам достаточно спокойно перемещаться по её поверхности, совершенно не обращая внимания на то, что наши автомобили или тепловозы могут хоть как-то разогнать или замедлить нашу планету. Даже если мы все строем, в количестве 7 миллиардов душ, пойдём дружно с востока на запад — то мы не сможем замедлить вращение Земли даже и на одну микросекунду.
Совсем другая ситуация возникает в системе Земля-Луна. Как вы, наверное, знаете, в прошлом наша Луна была гораздо ближе к Земле, а земные сутки были гораздо короче.
Пейзаж того, безумно древнего катархейского периода истории Земли разительно отличался от современного нам неба:
Луна в то время имела гораздо больший угловой размер на земном небе, а земные сутки вполне могли составлять и половину нынешних. Именно это следует из законов сохранения импульса и момента импульса — в замкнутой системе, которой и является пара Земля-Луна импульс и момент импульса никуда не могут «исчезнуть», а могут лишь перераспределиться между компонентами системы.
Как это происходит на лабораторном столе можно посмотреть в замечательном учебном видео, созданном в НИЯУ МИФИ. Ну а палеонтологические доказательства векового замедления суток Земли приведены по вот этой ссылке.
И, как вы поняли из демонстрации закона сохранения момента импульса — моменту импульса просто некуда деваться из замкнутой системы: если суточное вращение Земли постепенно замедляется, то для сохранения момента импульса системы Земля-Луна нашему бедному спутнику приходится увеличивать свой момент инерции, всё дальше и дальше удаляясь от своей соседки — нашей с Вами голубой планетки.
Ровно такая же ситуация (только в применении к импульсу) присутствует и для любого тела, пытающегося покинуть поверхность Земли.
Если тело, пользующееся реактивным движением, пытается покинуть пределы земной атмосферы и набрать хотя бы первую космическую скорость — то оно должно отбросить каким-то образом в противоположном направлении количества вещества и связанного с ним импульса, эквивалентные приращению собственной скорости.
И вот тут у нас возникает один интересный момент.
В идеальном случае требуемую первую космическую скорость желательно набрать максимально быстро. Всё дело в том, что у поверхности Земли на любое тело очень активно действует сила притяжения самой Земли — так называемая гравитационная помеха или ускорение свободного падения.
Надо сказать, что значение данной гравитационной помехи, в стандартных единицах физических величин, достаточно велико: 9,81 м/с 2 .
В понятных «обывательских» величинах это означает, что для того, чтобы мы оторвали наш космический корабль от Земли, нам надо откидывать в сторону условного «низа» количества реактивной массы, которые скомпенсируют данную гравитационную помеху.
Именно поэтому любой самолёт вертикального взлёта или посадки, такой как английский «Харриер» или советский «Як-38» имеют очень ограниченный радиус действия: на организацию «ракетного» взлёта или посадки необходимо тратить очень большие количества столь драгоценного и дефицитного в полёте топлива:
В силу тех же причин я достаточно скептически отношусь и к проекту управляемой ракетной посадки «Кузнечика» компании Space-Х. Парашюты твердотопливных ускорителей «Спейс Шаттла», может быть, и не выглядят столь эффектно, как посадка «Кузнечика», но уж точно позволяют не тратить дефицитную реактивную массу на возврат ракеты на стартовую площадку.
Впрочем, в комментариях, конечно, можно разобрать «Кузнечика» во всех деталях. Срач будет, я гарантирую это.
Однако — вернёмся к нашим хренобасам массой в 30 тонн и к нашей проклятой гравитационной помехе.
Для понимания её величины на различных планетах Солнечной системы — привожу вашему вниманию вот такую интересную инфографику.
Она показывает нам условную «глубину» гравитационных колодцев различных планет и их спутников.
Однако, для иллюстрации к нашим размышлениям нам надо внимательно рассмотреть вот этот кусочек большой и интересной картинки:
При беглом взгляде на эту картинку кажется, что задача вывода спутника на низкую околоземную орбиту (НОО) по сравнению с выводом спутника связи на геостационарную орбиту — это совершенно плёвая задача.
Однако, в реальности именно этот участок вывода грузов на земную орбиту представляет самую большую трудность для конструкторов и инженеров.
И связано это, кроме уже упомянутой гравитационной помехи с ещё одним неприятным фактом — всё возрастающим от скорости сопротивлением атмосферы Земли движению в ней любого твёрдого тела.
Всё дело в том, что сама по себе первая космическая скорость — это некий «эрзац» настоящего выхода из гравитационного колодца любого небесного тела.
Предмет, набравший первую космическую скорость, лишь становится связанным с Землёй гравитирующим телом, вечная участь которого — лишь повторять и повторять виток за витком постоянное обращение вокруг центральной гравитирующей массы.
Условно говоря — каждую секунду тело, обращающееся с первой космической скоростью на низкой околоземной орбите, падает в сторону условного «низа» ровно настолько, насколько уходит «вниз» за счёт шарообразности поверхность Земли под ним и сколько составляет на данной высоте ускорение свободного падения.
Отсюда, кстати, и можно легко вывести ускорение свободного падения на геостационарной орбите, на которой обращаются спутники, висящие над определённым местом земной поверхности. Желающие проверить свою сообразительность могут потом проверить рассчёты по ссылке.
Скажу лишь, что от привычного нам значения в 9,81 м/с 2 ускорение на геостационаре отличается, причём — значительно.
Как влияет атмосфера Земли на скорость ракеты или спутника? Правильно, она тормозит ракету на участке вывода на орбиту и замедляет вращение спутников на низких околоземных орбитах.
Именно поэтому ракеты делают максимально обтекаемыми, а спутники с низких околоземных орбит рано или поздно падают на Землю.
Представить себе спутник, устойчиво обращающийся с первыми космическими скоростями даже на орбите высотой в 50-60 километров невозможно — его короткая и печальная судьба будет выглядеть как-то вот так:
Поэтому, с точки зрения наиболее оптимального и экономичного вывода полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту приходится сразу решать несколько в чём-то взаимоисключающих вопросов:
1) обеспечить достаточную тягу основных двигателей ракеты, для того, чтобы она хотя бы оторвалась от Земли и поборола постоянно действующую на него гравитационную помеху;
2) не разрушить конструкцию ракеты интенсивным трением о нижние слои земной атмосферы;
3) не угробить экипаж ракеты и груз чрезмерным начальным ускорением, которое позволяет хоть как-то минимизировать время действия на ракету гравитационной и атмосферной помехи;
4) ну и хоть как-то обеспечить минимально возможный расход реактивной массы на решение задач по пунктам 1-3.
Основным вопросом для двигателя, как вы понимаете, является первый параметр: соотношение реактивной тяги двигателей (T) к массе всей ракеты (W).
Если T/W>1, то данный двигатель может быть пригоден для старта с поверхности Земли, если Т/W<1 — то однозначно, что нет.
Главное здесь даже не какие-то материи высокого порядка, а элементарный вопрос: может ли космический аппарат взлететь с поверхности Земли или он просто будет стоять на стартовом столе и пыхтеть своими маломощными движками?
Если ответ «нет» — то такой двигатель годится лишь для космических перелётов и орбитальных манёвров. Масса очень интересных двигателей — ионных, фотонных, солнечных парусов — имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, но совершенно не годятся для старта с Земли. Они просто не могут вытащить нас из нашего гравитационного колодца.
Поэтому большинство современных или гипотетических двигательных систем для космических кораблей делятся на две большие категории: Либо экономичные и слабосильные, либо мощные и прожорливые.
Тут напрашивается прямая аналогия с автомобилями — или ты покупаешь внедорожник, который за счёт своего двигла вытащит тебя из любой грязюки — или берёшь себе малолитражку с расходом топлива в 3 литра на 100 километров, но вверх по склону едешь исключительно на первой передаче.
В мире космических ракет экономичный двигатель означает высокое значение удельного импульса и высокую скорость истечения реактивной массы.
А мощность же ракетного двигателя напрямую связана с высокой тягой и. с высоким расходом топлива на цели создания этой тяги.
Единственная сколь-либо возможная двигательная система и с высокой скоростью истечения реактивной массы, и с высокой тягой — ядерная ракета на солёной воде.
Однако, в силу весьма неслабого заражения атмосферы Земли продуктами распада ядер урана и тория, которые сейчас доступны нам в качестве компактного и лёгкого источника необходимой для ядерной ракеты на солёной воде энергии, нам всё же надо будет повременить с пуском этих адских машин с поверхности Земли.
Ну и, конечно же, чтобы не кривить душой, стоит помянуть и проект «Орион». Ведь если для реализации ядерной ракеты на солёной воде всё же надо ещё разработать массу пока несуществующих материалов для камеры сгорания и реактора, то в случае проекта «Орион» идея взлёта проста и незатейлива, как семейные трусы «в рупь двадцать».
Мы не дураки, полетим ночью на бомбе.
Конечно, столь эпичная космовундерваффля могла родится только в 1950-е годы.
Идея подрывать за кораблём для создания его реактивного движения целые тактические ядерные боезаряды могла прийти в голову конструкторам только в то весёлое и необычное время. Однако, что интересно, сам концепт был проверен в виде натурных испытаний, хотя, конечно, и без живительного гамма-излучения от близких ядерных взрывов.
Ну и длинный фильм ВВС о проекте «Орион», если кому-либо интересен ход работы над этим уникальным проектом.
Поэтому-то гравитационный колодец планеты Земля и не выпускает нас так просто, дёшево и непринуждённо, как это показано в фильме «Элизиум».
Мы до сих пор стартуем в космос на старых химических ракетах, собирая монструозные башни с жидким кислородом и керосином или водородом, которые и выводят на орбиту лишь свою самую маленькую, самую верхнюю часть.
Это не потому, что нам это нравится. Не потому, что это самый лучший вариант. И отнюдь не потому, что у нас плохо работает фантазия.
Просто не всегда занимательное фэнтези можно превратить в выверенную и взаимоувязанную концепцию научной фантастики.
В которой нет техножрецов и наукомагов, а тридцатитонные хренобасы не с почётными Гражданами не «пронзают пространство подобно Аполлону».
Ведь Земля — совершенно не рай с точки зрения межзвёздных или даже межпланетных перелётов. Рай — не на Земле:
Ньютоновская гравитация
В 1665-1667 годах в Англии бушевала бубонная чума. В этот период молодой ученый по имени Исаак Ньютон вернулся из Кембриджского университета на свою семейную ферму в Вулсторпе. Время, проведенное в изоляции, позволило ему познать физическую природу света: Ньютон провел множество экспериментов и пришел к выводу, что свет можно рассматривать как поток частиц, которые исходят от некого источника и двигаются по прямой до ближайшего препятствия.
Такая модель света называется корпускулярной; она легла в основу классической физики, без которой современных достижений науки просто не существовало бы.
Считается, что примерно в это же время Ньютон стал автором своего наиболее известного открытия – Всемирного закона тяготения. Он совершил концептуальный прорыв признав два различных вида движения – равномерное и ускоряющееся.
В усадьбе Вусторп Ньютон совершил свои величайшие открытия. Вот что самоизоляция с людьми делает!
Важно понимать, что для современников Ньютона гравитация была земной силой; она была ограничена объектами вблизи поверхности Земли. Но в семейном яблоневом саду Ньютон обнаружил, что гравитация – сила универсальная. Она простирается до самых планет, до Луны, звезд и дальше.
Сегодня, благодаря трудам еще одного великого ученого, мы знаем, что энергия буквально говорит пространству-времени, как изгибаться: согласно Общей теории относительности, сила тяжести возникает из-за искривления пространства и времени, а такие объекты, как Солнце и Земля, эту геометрию изменяют.
Гравитация Эйнштейна
Пытаясь разгадать величайшие тайны Вселенной Альберт Эйнштейн, которому на тот момент исполнилось 30 лет, понял, что пространство-время изгибает не сила, но масса. Изгибы, которые оставляют под собой массивные объекты, например Солнце, подсказывают энергии как двигаться.
Представить себе пространство-время можно в виде равномерно натянутой плотной ткани, в центр которой закинули бильярдный шар – точно так же, как изгибается ткань под давлением шара, изгибается и пространство-время под давлением массивных объектов.
Большой шар сильно искривляет пространство-время, заставляя меньший шар изменить свой курс и следовать за падением.
Вместо шара и ткани также можно представить себе автомобиль, который движется по извилистой дороге – когда автомобиль спускается с холма, то ускоряется. Массивные объекты во Вселенной подобны ускоряющемуся автомобилю – они создают экстремальные изгибы в пространстве-времени.
Интересно, что гравитация способна ускорять объекты, когда они входят (или приближаются) в глубокие гравитационные колодцы. Гравитационные колодцы – это концепция, согласно которой чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец.
Еще больше увлекательных статей о том, какие законы физикой управляют Вселенной и почему, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Гравитация и астероиды
Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она способна ускорять объекты, возьмем, к примеру, Землю и Луну. Земля – довольно массивный объект. По крайней мере, по сравнению с Луной. Это означает, что наша планета довольно сильно искривляет ткань пространства-времени.
Луна вращается вокруг нашей планеты из-за искривления пространства-времени, вызванного массой Земли. Выходит, она просто движется вдоль изгиба или нисходящего склона (в случае с автомобилем), который делает наша планета. В этом отношении на спутник Земли не действует какая-либо сила. Она просто следует определенному пути. Но почему в таком случае все астероиды и метеориты, пролетающие мимо нашей планеты, не попадают на орбиту?
Солнце и Луна искривляют ткань пространства-времени.
Причина, как полагают исследователи, кроется в пути, который проходит объект – он зависит от ряда факторов, таких как скорость, траектория и масса соответствующих объектов. Именно по этой причине каждый день сотни астрономов по всему миру наблюдают множество комет и астероидов, пролетающих мимо Земли и не попадающих на ее орбиту.
А если вам интересно, смогут ли люди когда-нибудь изобрести искусственную гравитацию, обязательно прочтите статью моего коллеги Владимира Кузнецова. В ней он подробно рассказывает о последних достижениях в этой области и о том, перестанет ли в скором будущем искусственная гравитация считаться атрибутом исключительно научной фантастики.
20 фактов, которых вы не знали о гравитации
2. Однако в отличие от Силы с её тёмной и светлой сторонами, гравитация не дуальна; она только притягивает, и никогда не отталкивает.
3. NASA пытается разработать притягивающий луч, который сумеет перемещать физические объекты, создавая притягивающую силу, превосходящую силу действия гравитации.
4. Пассажиры американских горок и астронавты на Космической станции испытывают микрогравитацию – которую некорректно называют нулевой гравитацией – поскольку они падают с той же скоростью, что и судно, в котором они находятся.
5. Тот, кто весит на Земле 60 килограмм, весил бы на Юпитере (если бы это было возможно – встать на газовый гигант) 142 килограмма. Большая масса планеты означает и большую силу притяжения.
6. Чтобы покинуть гравитационный колодец Земли, любой объект должен достигнуть скорости 11,2 километра в секунду – это скорость убегания нашей планеты.
7. Гравитация, как это ни странно — самая слабая из четырёх фундаментальных сил вселенной. Три других – это электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие, которое определяет распад атомов; и сильное ядерное взаимодействие, которое держит ядра атомов вместе.
8. Магнитик размером с монетку имеет достаточную силу электромагнитного взаимодействия, чтобы преодолеть всю гравитацию Земли и приклеиться к холодильнику.
9. Яблоко не падало на голову Исааку Ньютону, но оно заставило его задуматься, влияет ли сила, заставляющая яблоко падать, на движение Луны вокруг Земли.
10. Это самое яблоко привело к появлению первого в науке закона обратной квадратичной пропорциональности F = G * (mM)/r2. Это означает, что объект, удалённый в два раза, оказывает лишь четверть прежнего гравитационного притяжения.
11. Закон обратной квадратичной пропорциональности также означает, что технически, гравитационное притяжение имеет неограниченную дальность действия.
12. Другое значение слова «гравитация» – которое означает «нечто тяжелое или серьёзное» — появилось раньше, и произошло от латинского «gravis», что значит «тяжёлый».
13. Сила гравитации ускоряет все объекты в равной степени, независимо от веса. Если вы уроните с крыши два мячика одного размера, но разного веса, они ударятся о землю одновременно. Большая инерция более тяжёлого объекта аннулирует любую дополнительную скорость, которую он мог бы иметь по сравнению с более лёгким.
14. Общая теория относительности Эйнштейна была первой теорией, рассматривающей гравитацию как искривление пространства-времени — «ткани», которая составляет физическую вселенную.
15. Любой объект, обладающий массой, искривляет пространство-время вокруг себя. В 2011 году эксперимент «Гравитационного зонда В» NASA показал, что Земля закручивает вселенную вокруг себя, как деревянный шар в патоке – в точности, как это предсказывал Эйнштейн.
16. Искривляя пространство-время вокруг себя, массивный объект иногда перенаправляет лучи света, которые проходят через него, как это делает стеклянная линза. Гравитационные линзы могут с лёгкостью увеличивать видимый размер далёких галактик или смазывать их свет в странные формы.
17. «Проблема трёх тел», описывающая все возможные паттерны, которыми три объекта могут вращаться друг вокруг друга только под действием гравитации, занимала учёных в течение трёхсот лет. На сегодняшний день найдено всего 16 её решений – и 13 из них были получены не далее как в марте этого года.
18. Хотя три остальные фундаментальные силы хорошо уживаются с квантовой механикой – наукой о сверхмалом – гравитация отказывается с ней сотрудничать; квантовые уравнения нарушаются при любой попытке включить в них гравитацию. Как примирить эти два абсолютно точных и совершенно противоположных друг другу описания вселенной является одной из крупнейших проблем современной физики.
19. Чтобы лучше понять гравитацию, учёные ищут гравитационные волны – рябь в пространстве-времени, которая происходит от событий вроде столкновений чёрных дыр и взрывов звёзд.
20. Как только им удастся обнаружить гравитационные волны, учёные смогут взглянуть на космос так, как не делали этого никогда прежде. «Каждый раз, когда мы смотрим на Вселенную по-новому», говорит физик из Гравитационно-волновой обсерватории Луизианы Амбер Стувер, «это производит революцию в нашем понимании её».
Гравитационный колодец что это такое
Детские оконные клетки и 13 других интересных изобретений из прошлого
Когда все фиолетово: откуда пошло это выражение
Такому кораблю океан маловат!
30 вещей, создатели которых не задумались о том, что кому-то придется их чистить
Продолжения фильмов и кинофраншиз, в которых на роль главного героя выбрали новых актеров
Простаивающие тайские такси становятся зелеными мини-огородами
Почему Николас Кейдж снимается в плохих фильмах
Чем отличаются девочки от женщин
Фотографии модных людей, сделанные на улицах Москвы
Техника подвела: самые впечатляющие катастрофы современности
Как выглядела Шотландия 20 000 лет назад
Дельфин по имени Питер, убивший себя из-за разбитого сердца
Дрон перепутал тюрьму и школу и сбросил пакет с наркотиками не туда
Конкурс свадебной фотографии объявил победителей
Простые, но гениальные лайфхаки, которые действительно работают
Кинематографическая и киберпанковская городская фотография от Фелипе ОА
Победители конкурса астрофотографии "Astronomy Photographer of the Year 2021"
Гертруда Шиллинг - королева шляпок
Автоинспектор на ходу запрыгнул на мотоцикл пьяного лихача
Удивительные снимки уличной жизни Нью-Йорка в 1930-х - 1940-х годах
Как носорог с машинками решил поиграть
Как Николас Кейдж охотился за Граалем и почему стал сниматься в плохих фильмах
Гравитационная скважина
Если у вас есть справочные книги или статьи , или если вы знаете , качественных веб - сайтов , посвященных теме обсуждаемого здесь, пожалуйста , заполните эту статью, давая ссылки , полезные для его контролируемости и связывая их с « Notes разделе». И ссылки "
Гравитационный также является геометрическим представлением концепции гравитационного поля , окружающего объект в пространстве. Чем тяжелее объект, тем глубже и обширнее будет связанный колодец. Любой объект или человек на поверхности небесного тела считается находящимся на дне колодца этого тела. Уход в космос от поверхности небесного тела соответствует восхождению за пределы гравитационного колодца. Энергия, необходимая для достижения скорости высвобождения, увеличивается с глубиной гравитационной ямы.
В астрофизике гравитационная яма - это, в частности, гравитационное поле, окружающее массивное тело. Существуют и другие типы потенциальных ям, такие как электрические или магнитные. Физические модели гравитационных ям иногда используются для иллюстрации пространственной механики . Они иногда путают с диаграммами в общей теории относительности , но эти два понятия не связаны между собой .
Резюме
Подробности
Внешний гравитационный потенциал симметричного сферического тела определяется формулой:
Двумерное представление этой функции дано на изображении. Это графическое изображение было нарисовано с внутренним потенциалом, пропорциональным | x | 2 , что соответствует объекту с однородной плотностью, но этот внутренний потенциал обычно не имеет значения, потому что орбита пробной частицы не может пересечь тело.
«Дыра» в графическом изображении является источником термина гравитационный «сток».
Читайте также: