Grawitacja

Spadanie ciał swobodnych na ziemię człowiek obserwował od niepamiętnych czasów. Po raz pierwszy zaczęli się nad tym zastanawiać starożytni Grecy. Ich poglądy jednak, oparte na powierzchownych obserwacjach, zawierały więcej wniosków fałszywych niż prawdziwych. Największy wpływ na dalszy rozwój poglądów (wpływ negatywny) miały koncepcje Arystotelesa. Uważał on, że wszystkie ciała niebieskie poruszają się ruchem naturalnym, przyrodzonym, bez działanie jakich kolwiek czynników. Eliminował tym samym ciążenie powszechne. Natomiast ciała poruszające się w pobliżu Ziemi dzielił na dwa rodzaje: ciała lekkie i ciała ciężkie. Pierwsze np. ogień, miały tę właściwość, że dążyły do zajęcia miejsca jak najdalej środka świata (który miał znajdować się w środku Ziemi); drugie wykazywały naturalną dążność wręcz przeciwnej natury i dlatego spadały na Ziemię. Przy tym Arystoteles zakładał, że dążność ciał do zajęcia miejsca możliwie jak najbliżej środka świata jest tym silniejsza, im są one cięższe i im bliżej środka świata się znajdują. W wyobrażeniach tych można byłoby się dopatrywać sformułowania prawa powszechnego ciążenia (dla ciał znajdujących się w pobliżu Ziemi), jednakże miarą dążności ciał do ulokowania się blisko środka świata była dla Arystotelesa nie siła, lecz prędkość. A z tego wynikał wniosek, że ciała cięższe powinny spadać szybciej niż ciała lżejsze.





Poglądy Arystotelesa przetrwały wiele wieków, mimo iż miały swych zdecydowanych przeciwników wśród najwybitniejszych uczonych. Bał się z nimi zerwać nawet nasz wielki astronom Mikołaj Kopernik, który po opracowaniu heliocentrycznej teorii Układu Słonecznego (początek XVI w.) Przypuszczał, iż nie można eliminować grawitacji ze zjawisk astronomicznych.





Obalenie hipotez Arystotelesa zajęło tyle czasu i wiele wysiłków. Rzeczą podstawową było wykazanie, że czas spadania ciał nie zależy od ich masy, a przynajmniej nie w taki sposób, jak to postulował Arystoteles. Decydujące znaczenie miały tu doświadczenia Galileusza, który badał swobodny spadek ciał (spuszczanych podobno z wierzchołka słynnej wierzy w Pizie). Na podstawie tych doświadczeń Galileusz wyciągną w 1602 r. wniosek, że wszystkie ciała spadają z jednakowym przyspieszeniem (tzw. prawo spadku swobodnego). Tym samym doświadczenia wykazały błędność spekulatywnych wniosków Arystotelesa.





Jednocześnie gromadziły się fakty, które miały rychło doprowadzić do odkrycia powszechnego prawa ciążenia. Z odkryciem tym wiążą się nazwiska wielu wybitnych uczonych XVI i XVII w., przede wszystkim zaś T. Brahe, J. Keplera i wreszcie I. Newtona. T. Brahe prowadził w swym obserwatorium Uraniborg na wyspie Ven (Hven) koło Kopenhagi systematyczne obserwacje ruchu planet, co miało na celu gromadzenie materiału umożliwiającego odkrycie ogólnych praw rządzących ruchem planet.





Prawo powszechnego ciążenia odkrył I. Newton prawdopodobnie w 1665 r. (opublikował je dopiero w 1687 r.). Prawo to orzeka: siła F, jaką przyciągają się dwa ciała, jest wprost proporcjonalne do iloczynu ich mas m i m o odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległość r między nimi: We wzorze znak minus wskazuje, że siła ciążenia jest siłą przyciągania, G jest współczynnikiem proporcjonalności, zależnym od wyboru jednostek miar masy i długości, zwanym stałą grawitacją.





Bezpośrednim dowodem słuszności prawa powszechnego ciążenia Newtona było to, że - po pierwsze - wynikało zeń prawo spadku swobodnego Galileusza i - po drugie - prawa ruchu planet Kaplera. Wskazywało to jednocześnie, że grawitacja występuje i w skali zjawisk przy powierzchni Ziemi, i w skali kosmicznej, a więc jest zjawiskiem powszechnym. Odkrycie prawa powszechnego ciążenia zakończyło pewien etap w badaniach nad n. g. Wiadomo było już, jak ciała się przyciągają, wciąż jednak bez odpowiedzi pozostawało pytanie: dlaczego? Innymi słowy, sama n. g. pozostawała wciąż jeszcze problemem otwartym. Pierwszą udaną próbą jego rozwiązania była tzw. ogólna teoria względności (zwana też teorią grawitacji), którą opracował w latach 1905 - 1916 A. Einstein. Jednym z zasadniczych założeń tej teorii jest tzw. zasada równoważności, która orzekła, że siły grawitacyjne są obiektywne nieodróżnialne od sił bezwładności.





Na przykład pasażer w windzie ruszającej do góry (lub na dół) odczuwa działanie sił bezwładności jako wzrost (lub zmniejszanie) swego ciężaru, a więc gdyby nie wiedział, że się znajduje w windzie, to nie potrafiłby powiedzieć, czy działają nań siły bezwładności, czy dodatkowe siły grawitacyjne.





Jeśli upuścimy jakiś przedmiot, spadnie on na ziemię. Jest to spowodowane siłą ciężkości, czyli grawitacją. Jest to siła powodująca przyciąganie się ciał. Nie tylko Ziemia jest źródłem grawitacji - ma ją także Księżyc. Grawitacja Słońca przyciąga Ziemię oraz pozostałe planety i utrzymuje je na orbitach. Siła oddziaływania grawitacyjnego dwóch ciał zależy od odległości między nimi. Im większa jest odległość, tym mniejsza siła przyciąga je do siebie. Oddziaływanie zależy też od mas obu ciał - większym masom odpowiada większa siła ciężkości.





Środek ciężkości.





Środek ciężkości każdego przedmiotu to taki punkt, w którym koncentruje się całe działanie grawitacji na ten punkt. Przedmiot podparty w punkcie leżącym na linii łączącej jego środek ciężkości z ziemią może być w równowadze. Ale najłatwiej jest utrzymać równowagę, jeśli środek ciężkości jest położony nisko.





Np. Korek utrzymuje się na ostrzu igły. Jest w równowadze, ponieważ ciężkie widelce zwisające w dół powodują, że środek ciężkości całości znajduje się poniżej korka, pod punktem podparcia.











Masa i ciężar.





Masa nie jest tym samym co ciężar. Masa określa ilość substancji w danym ciele; ciężar jest to siła, z jaką grawitacja działa na daną masę. Kobiałka truskawek na Księżycu ważyłaby zaledwie jedną szóstą tego, co na Ziemi, choć masa byłaby taka sama. Jest tek dlatego, że siła ciężkości na powierzchni Księżyca jest sześciokrotnie mniejsza niż na Ziemi.





Grawitacja na Księżycu.





Siła ciężkości na Księżycu jest mniejsza niż na Ziemi, ponieważ jest on mniejszy i ma mniejszą masę. Ciało spadające na Księżycu przyspiesza sześciokrotnie wolniej aniżeli na Ziemi, a podskoczyć na Księżycu można sześć razy wyżej niż na Ziemi.





Bumerang.





W niektórych wypadkach środek ciężkości znajduje się we wewnątrz danego przedmiotu, lecz na zewnątrz. Tak jest z bumerangiem. Ma on taki kształt, że można postawić go na brzegu podpierając w punkcie przegięcia.





Przypływy i odpływy.





Pływy są skutkiem grawitacji. Ocean z tej strony Ziemi, z której jest Księżyc, jest przez niego przyciągany, co powoduje przypływ.Z przeciwnej strony Ziemi w tym czasie też jest przypływ, gdyż Ziemia jest przyciągana przez Księżyc bardziej niż woda. Wpływ Słońca na przypływy jest niewielki. Kiedy Słońce i Księżyc ustawiają się w jednej linii, pojawiają się największe przypływy.