Kosmoseuuringud nõuavad uut mehaanikat ja uut arusaama gravitatsioonist.

14.10.2019

Gravitatsioon on üks müstilisemaid füüsikalisi nähtusi. Ühestki muust nähtusest pole räägitud, kirjutatud, kaitstud väitekirju, omistatud akadeemilisi tiitleid või Nobeli preemiad, nagu gravitatsioon.

Kõik ideed on ajalooliselt tingitud. Aeg muudab ühiskonna ees seisvaid ülesandeid ja see sunnib reeglina arusaamu teatud nähtustest muutuma. Gravitatsiooni nähtus pole erand. Gravitatsiooni idee Egiptuse püramiidide ehitajate ja kosmoses reisijate seas ei saa muud kui erineda.

2.Newtoni arusaam gravitatsioonist

Newtoni gravitatsiooniteoorias seostatakse gravitatsiooni praktiliselt täielikult gravitatsioonijõu või raskusjõuga. Gravitatsiooni olemus Newtoni järgi seisneb selles, et kehale rakendatakse jõudu - gravitatsioon (Maa tingimustes nimetatakse seda tavaliselt kaalujõuks). Selle jõu allikas - muud või muud kehad. Tegelikult pole gravitatsioonivälja. Gravitatsioon on kehade vaheline otsene koostoime. Selle interaktsiooni määrab Newtoni gravitatsiooniseadus. Erilist gravitatsiooniruumi pole. Gravitatsiooniväli on olemuselt tingimuslik ja seda kasutatakse ainult arvutuste hõlbustamiseks; selle kontseptsiooni taga pole füüsikat.

Maapealsetes tingimustes, näiteks staatiliste konstruktsioonikoormuste arvutamisel, on see mugav ja visuaalne esitus.

3.Gravitatsiooninähtused tänapäeva maailmas

Kaasaegne maailm on läinud palju kaugemale nähtuste ulatusest, milles Newtoni gravitatsioonikontseptsioonid kujunesid. Juba eelmise sajandi alguses juhtis Albert Einstein tähelepanu tõsiasjale, et isegi tavalises liftis esinevad nähtused ei ühti hästi Newtoni ideedega. See, aga ka relativistlik moeröögatus, viisid ta uue arusaamani gravitatsioonist, mis kajastub nn üldises relatiivsusteoorias.

Nüüdseks on üldtunnustatud, et GTR on kosmoloogiliste skaalade ja relativistlike liikumiste gravitatsiooniteooria. Aga makro- ja mesomaailma mastaabis, s.o. maapealse, planetaarse (taeva)mehaanika ja astronautika vallas ei ole üldrelatiivsusteooriat mõtet kasutada ja see teooria ei saa midagi uut anda. Ja kui see nii on, siis on see ainult mõne väga suure lähenduse parandused. Seetõttu keskendume Newtoni gravitatsioonikontseptsioonide üksikasjalikumale käsitlemisele.

Üks peamisi nähtusi, mis viimastel aastakümnetel on mehaanika tähelepanu keskmesse tõusnud, on olnud kaaluta oleku nähtus. Muidugi on kaaluta oleku fenomeni varemgi esinenud. Kuid see oli lühiajaline ja seda ei tunnistatud mingiks eriliseks mehaaniliseks nähtuseks. Kivi kukub Pisa tornist ja noh, see kukub. Milline kaaluta olek siin on. Kuid astronautika areng tõi esile kaaluta oleku nähtuse ja selle suur tähtsus teadvustati. Kaalutus on järk-järgult sisenemas tootmis- ja tehnoloogiliste tegurite kategooriasse.

Kuid pöördudes Newtoni mehaaniliste kontseptsioonide poole, avastame äkki, et Newtoni mehaanikas seda mõistet tegelikult ei eksisteeri. Newtoni kontseptsioonide kohaselt on gravitatsioonijõud seotud gravitatsiooniga. Kuid järsku selgus, et see polnud sugugi nii. Näitame seda.

Kujutagem ette langevarjurit lennukis enne taevasse viskamist. Ta seisab ukseava ees ja on gravitatsiooniväljas, raskusjõud mõjub talle. See arvutatakse Newtoni järgi. Aga nüüd astub ta sammu uksest välja.On selge, et gravitatsiooniväli pole muutunud. Ja ka raskuse jõud ei saanud muutuda. Kuid langevarjur läks kaaluta olekusse ja kaotas kaalu ning gravitatsioonijõud kadus ootamatult. Kuid gravitatsiooniväli pole kuhugi kadunud, see jääb samaks, mis oli. Seetõttu on ilmne, et lennukis olev kaal ei olnud gravitatsiooniga seotud.

Mõnikord öeldakse, et raskusjõud ei kadunud üldse, vaid tekkis (fiktiivne) inertsjõud, mis tasakaalustas gravitatsioonijõudu, kuna langevarjur hakkas kiiremini liikuma. Seetõttu ei tunne langevarjuhüppaja ise mingit raskusjõudu.

Just nii, näiteks maapinnal paikneva kohtunike kolleegiumi võrdlusraamis liigub langevarjur kiirendatud kiirusega. Kujutagem aga ette, et koos langevarjuriga hüppab välja ka fotoajakirjanik, kes filmib langevarjuri lendu ja tegemisi. Ja seoses selle fotograafiga saab langevarjur liikuda üles, alla või paigal seista. Ja kus on siis kurikuulus inertsjõud, mis on seotud langevarjuri kiirendatud liikumisega? Kuidas saab tegelikku jõudu, mis on väidetavalt gravitatsioonijõud, tasakaalustada kiirendusega seotud fiktiivne inertsjõud, kui kiirendus võib olenevalt vaatlejast olla väga erineva iseloomuga või puududa täielikult? Kui nõustuda sellega, et maise kohtusüsteemi tugiraam on “õigem” kui fotoajakirjaniku raamistik, siis on vaja tõestada, et kohtuniku kaamerad, kohtuniku käekellad või kaugusmõõtjad on paremad kui pressifotograafi omad.

Kuna seda on võimatu tõestada, peame tunnistama, et inertsjõud on väljamõeldis ja seetõttu on gravitatsioonijõud, kaalujõud ja üldiselt kõik gravitatsioonijõud väljamõeldis, neid lihtsalt ei eksisteeri. Ja langevarjur aastal tasuta kukkumine liigub täpselt tasuta, st. ilma mingite jõudude mõjuta sellele (jätame tähelepanuta atmosfääri mõju).

Mis siis juhtus langevarjuriga, kui ta sammu üle lennuki parda astus? Ja ta pole üldse laetud ise kui salapärane fiktiivne inertsjõud, mis tasakaalustab gravitatsioonijõudu. Ei, vastupidi, ta vabanes ainsast tegelikust jõust, mis teda mõjutas. See jõud tuli toest, lennuki põrandast. Ja kui ta sellest vabanes, astudes sammu lennukist väljapoole, muutus ta kaalutuks, muutus tasuta, lakkasid kõik jõud tema suhtes tegutsemast.

Seega puuduvad gravitatsioonijõud. Inimesele, maas olevale kivile, astronaudile mõjuvad jõud lennu aktiivsel osal toe küljelt. Kui eemaldate toe, muutub inimene või kivi vabaks, kaalutuks. Kuid jõud, mis mõjuvad inimesele või kivile tugiküljelt, ei ole gravitatsioonilised. Need on tavalised elektrilised või üldisemalt elektromagnetilised elastsusjõud. Ja inimkehal (tallal) ehk kivil on omakorda elastsus ning taldadelt või kivilt toele tekib vastujõud. Ja sellel jõul on ka elektromagnetiline iseloom. Kus on gravitatsioonijõud? Me ei näe neid. Ühtegi neist pole.

Siin on inimkonna kosmilisest kogemusest tulenev keskne, peamine ja fundamentaalne väide: gravitatsioonijõude pole. Kirjutame selle kõige suuremate tähtedega üles ja hakkame sellele alusele looma uut mehaanikat, kosmoseajastu mehaanikat.

4. Gravitatsiooni olemus astronautika kogemuste ja ideede valguses

Aga kui pole gravitatsioonijõude ega gravitatsiooni, siis pole ka gravitatsiooni? Ei, see pole tõsi. Gravitatsioon on muidugi olemas...

Kuid selle olemus on täiesti erinev. See ei ole sugugi kehadevaheline jõudude koostoime. Päikese ja Maa vahel, Maa ja Kuu vahel, Maa ja kosmoselaeva vahel, Maa ja selle pinnal oleva kivi vahel ei ole jõudude vastastikmõju.

Gravitatsioon on omadus. See omadus seisneb gravitatsioonikeha ümbritseva ruumi olemuse muutmises. Iga keha ümbritseb teatud halo, muutunud ruumi halo. Keha kannab seda halot endaga kaasas nagu oreooli ümber pühaku pea või atmosfääri, ionosfääri, magnetosfääri ümber Maa. Ja see halo ei saa end “iseseisvas ujumises” keha küljest lahti rebida. See on igaveseks seotud keha külge ja liigub koos sellega.

Siin saame kohe võrrelda selle halo omadusi elektromagnetvälja omadustega. Elektromagnetismil on kaks laengut, positiivne ja negatiivne. Oletame, et meil on elektriliselt neutraalne aatom või molekul. Siis pole elektrivälja ega elektromagnetilist halo. Kuid järsku lendas sealt välja positiivse või negatiivse laenguga osake. Sellest on saanud ioon, elektriliselt laetud keha ja selle ümber peaks tekkima vastav halo - elektriväli. Seda seal polnud, aga nüüd peaks olema. Ja siin tekib küsimus: millise kiirusega see olematusest tulenev väli ruumis levib? On selge, et välja ei saa kogu ruumis koheselt rajada. See levib aatomist eemale, liikudes aina kaugemale. Näeme, et elektromagnetväli on lühiulatusega, võib põhimõtteliselt välja allikatest eemalduda ja sellel on teatav levimiskiirus. Ja see on tingitud ainult kahte tüüpi elektrilaengute olemasolust. Täpsemalt dipoolmomendi muutusega, mille kohta puudub säilivusseadus. Elektromagnetväljal on seotud levimiskiirus, mis on seotud väljaallikate, laetud kehade liikumisega, näiteks elektrilaengu või magneti liikumise ajal, ja autonoomne levimiskiirus, mis ei ole seotud materiaalsete kehade liikumisega, mis on universaalne konstant - valguse kiirus.

Erinevalt elektromagnetismist seostatakse gravitatsiooni sama märgi allikatega. Seda gravitatsiooniallikat, gravitatsioonilaengut, nimetatakse massiks. See on alati positiivne ja selle jaoks on olemas säilivusseadus... Pealegi, isegi massidipoolmomendi jaoks on olemas säilivusseadus - see on tegelikult massikeskme jäävuse seadus. Seetõttu ei saa gravitatsiooniväli tekkida kuskilt. Masside liikumise tõttu võib see kuidagi deformeeruda ja mida kaugemal on gravitatsioonivälja vaatluspunkt nendest massidest, seda rohkem aega kulub välja muutuse mõju tuvastamiseks. Ja piisaval kaugusel piiratud masside süsteemist võib seda üldiselt pidada üheks jagamatuks punktmassiks, sisemised liigutused piisaval kaugusel ei saa selle välja punkti iseloomu muuta. Ja veelgi suuremal kaugusel kaob gravitatsiooniväli üldse ja me ei saa seda kuidagi tuvastada. Arvutame formaalselt välja Maa gravitatsioonivälja suuruse teises galaktikas. Kuid on ilmne, et see on puhtalt teoreetiline artefakt. See tuleneb otseselt kurikuulsa puudumisest gravitatsioonilained, st. eraldatud gravitatsiooniväljade allikatest. Ilma allikateta pole gravitatsioonivälju. Just elektromagnetismis kaotab kiiratav elektromagnetlaine igasuguse ühenduse allikaga ja tekib "allikata" elektromagnetväli. Ja see on elektromagnetvälja põhiline erinevus. See võib töötada mis tahes vahemaa tagant. Nii võtavad meie optilistes ja raadioteleskoopides vastu ja mõjutavad vastuvõtjaid elektromagnetväljad, mille allikas asub kujuteldamatul kaugusel, miljonite ja miljardite valgusaastate kaugusel. Elektromagnetväli - see on piiramatu tegevusulatusega väli, erinevalt ruumiliselt piiratud gravitatsiooniväljast.

Pange tähele ka seda, et gravitatsioonilainete olemasolu muudab Galileo põhimõtte ja inertsiaalsete võrdlussüsteemide olemasolu küsitavaks ning see toob juba kaasa katastroofilised tagajärjed kogu teoreetilisele mehaanikale.

5.Ruumi gravitatsioonilised omadused

Määratleme mõiste tasuta kehad. Vabaks kehaks nimetame keha, millele ei rakendata jõudu. Jõude järgi tuletame meelde ja tuletame veel kord meelde, me mõistame ainult elektromagnetilise iseloomuga mõjusid. Tuuma- ja muud mikro-nano-femtojõud on vaevalt kaalumist väärt. Ja me nimetame kehasid, millel jõud toimivad (elastsusjõud, reaktiivjõud ja muud elektromagnetilise iseloomuga jõud) vaba.

Määratleme mõiste inertsiaalne võrdlussüsteemid. Inertsiaalne tugisüsteem on tugisüsteem, milles vabad kehad liiguvad ühtlaselt ja sirgjooneliselt või on puhkeasendis. Kutsume teisi võrdlussüsteeme mitteinertsiaalne. Pange tähele, et kui meil on inertsiaalne tugiraamistik, siis saame kasutusele võtta suvalise arvu erinevaid mitteinertsiaalseid tugiraamistikke, näiteks pöörlevaid, võnkuvaid jne.

Defineerime nüüd mõiste Galilejev ruumi. Nimetame Galilei ruumiks, kus saab kasutusele võtta inertsiaalse tugiraamistiku. Mitte igas ruumis pole võimalik kasutusele võtta inertsiaalset tugiraamistikku. Kui ruumis ei ole võimalik inertsiaalset tugiraamistikku sisse viia, siis nimetatakse sellist ruumi mitte-galilealased.

Ja nüüd oleme valmis gravitatsiooniomaduste sõnastamiseks. Gravitatsiooniline omadus seisneb selles, et keha läheduses on mitte-galileansuse piirkond. Selles piirkonnas on võimatu kehtestada võrdlusraamistikku, mille kohaselt vabad kehad liiguvad selles ühtlaselt ja sirgjooneliselt või on puhkeasendis.

Me nimetame vabade kehade liikumisi loomulikud liigutused. Kus pole gravitatsiooni, on loomulikud liikumised saab on sirge ja ühtlase välimusega. Ja gravitatsioon viib selleni, et loomulikud liikumised ei saa on ühtlase ja sirge välimusega. Gravitatsiooniruumis on loomulikud liikumised palju keerulisemad. Need võivad olla liikumised mööda ringe, ellipse, paraboolisid, hüperboolisid ja veelgi keerulisemaid ja keerukamaid trajektoore. Planeetidevaheliste kosmoselaevade kõige keerulisemad trajektoorid vabal lennul näitavad seda selgelt. Miks see nii on - Me ei tea, me ei püstita hüpoteese, kuid aktsepteerime seda kui meile antud reaalsust.

Niisiis, nüüd saame vastata kõigile ülaltoodud küsimustele kosmilise kogemuse valguses.

1. Miks on astronaut orbitaalsel kosmoselaeval kaaluta olekus? Vastus: mitte sellepärast, et gravitatsioonijõud on mingil imelisel kombel tasakaalustatud müütiliste inertsijõududega. Ja sel lihtsal põhjusel, et ta on vaba, ei tegutse nad tema peale pole jõudu.

2. Miks, kui see on vaba, siis see ei liigu mitte sirgjooneliselt, vaid ringis? Vastus: kuna see asub gravitatsiooniväljas, Maa mitte-Galilei piirkonnas, kus vabade kehade liikumine on keerulisem, sealhulgas ringliikumine.

3.Miks Maa liigub ringis? Vastus: Maa on vaba keha. Sellele ei mõju ükski jõud. Kuid see asub Päikese mitte-Galilei piirkonnas (gravitatsiooniväljas). Ja Maa vaba liikumine on loomulik liikumine - liikumine ringis.

4.Millised jõud mõjuvad Maa pinnal asuvale kivile? Üks kivi loomulikke liikumisi Maa läheduses on kiirendatud kukkumine selle keskmesse. Kuid Maa pind takistab seda loomulikku liikumist, rakendades kivile ülespoole suunatud jõudu, mis on vastupidine kivi loomuliku liikumise suunale.See jõud ei ole gravitatsiooniline, vaid tavaline elastsusjõud, s.t. elektromagnetiline olemus. Loomulikult mõjub kivi Newtoni kolmanda seaduse kohaselt oma toele sama jõuga, kuid allapoole. Kui tugi ootamatult kaob või kaotab oma kõvaduse, hakkab kivi loomulikku liikumist allapoole, Maa keskpunkti suunas.

Pange tähele, et tavaliselt on jõud suunatud kivilt toele - gravitatsiooni - peetakse aktiivseks jõuks ja jõudu toest kivini - reaktsiooni jõud. Meie arvates on aktiivse jõu ja reaktsioonijõu mõisted kohad vahetanud. Jõud toest kehale muutus aktiivseks, reaktsioonijõud - jõud kehalt toele. See on rohkem kooskõlas mehaanilise loogikaga. Aktiivne on jõud, mida saab kontrollida, ja passiivne on reaktsioonijõud. - see on jõud, mis tekib vastusena, automaatselt. Saame hõlpsasti toetusjõudu kontrollida. Toe saab eemaldada, seda saab teha kõvemaks, pehmemaks jne. Ja jõud kivilt toele tekib automaatselt. Näiteks kui kivi lebab peopesal, on see tugi, millega me saame manipuleerida - kivi käes hoida, visata jne. Ja kivi mõju peopesale on sekundaarne, vastastikune. Aktiivset rolli mängib peopesa, mitte kivi.

6. Kohalik Galilea mitte-galilea ruumi omadus

Gravitatsiooniväljal on ainulaadne vara, eristades seda järsult elektromagnetilisest. Kõige üllatavam on see, et kaasaegne pole seda omadust veel teoreetiliselt omandanud teoreetiline mehaanika, kuigi praktikas kasutatakse seda eriti astronautikas väga laialdaselt.

Kui elektromagnetväli on olemas, siis see on olemas ja ükski võrdlussüsteemide teisendus ei saa seda kõrvaldada. Selle elektrilisi või magnetilisi komponente saab üksteiseks teisendada, kuid elektromagnetväljaga täidetud ruumipiirkonnas on see iga vaatleja jaoks olemas igas punktis ja mis tahes võrdlussüsteemis. Sellel on invariant.

Kuid gravitatsiooniväljas on meil midagi hoopis muud. Selgub, et gravitatsiooniväli, s.o. mitte-Galilei ruumi piirkond on samaaegselt igas punktis lokaalselt galilealik. Teisisõnu, gravitatsioonivälja on võimalik välistada mis tahes punktis ja isegi kogu läheduses. See tuleneb peamisest gravitatsiooniseadusest: mis tahes vaba keha naabruses on Galilea piirkond. See piirkond võib olla suur, globaalne, kui vaba keha asub Galilei ruumis, või lokaalne, piiratud, kui keha ise asub mitte-Galilei gravitatsioonilises ruumis.

Seega jõuame gravitatsioonivälja kõige olulisema omaduseni: gravitatsiooniväli pole absoluutne, vaid suhteline. Igas gravitatsioonivälja punktis võib kehtestada tugiraamistiku, mille läheduses seda ei eksisteeri.

Seni pole seda kõige olulisemat, kesksemat gravitatsioonimomenti mehaanilises teoorias sõnastatud. Kuid praktikas kasutatakse seda väga laialdaselt. Näiteks, kuigi Maa asub Päikese mitte-Galilei piirkonnas, kuna tegemist on vaba kehaga, on selle vahetus läheduses Galilei piirkond, kus Päikese mõju võib tähelepanuta jätta. Ja kui Maal on oma gravitatsiooniväli, siis selles läheduses ei asetu see mitte Päikese väljale, vaid Galilei gravitatsioonivabale ruumile ja me saame arvutada kõik liikumised selles läheduses nii, nagu oleks Maa ise Galilei ruum ja Päike pole üldse olemas. Kuu asub Päikese ja Maa mitte-Galilei piirkonnas, kuid Kuu läheduses saame arvestada ainult Kuu väljaga Orbiidil olev kosmoselaev asub Päikese mitte-Galilei piirkonnas Maa ja Kuu. Kuid selle vaba orbitaalliikumisega jaama enda sees võime pidada ruumi Galileilikuks (jaama massi enda gravitatsiooniväli on tühine) ja selles saame kasutusele võtta inertsiaalse võrdlussüsteemi, milles Galilei põhimõte on täidetud. Pealegi ei kehti see mitte ainult jaama siseruumi, vaid ka selle vahetu väliskeskkonna kohta. See võimaldab kasutada inertsiaalsete referentssüsteemide mehaanikat, kui dokkida mõne teise laevaga lähedalt ja isegi mitte arvestada Maa olemasolu ja selle gravitatsioonivälja. See lihtsustab oluliselt liigutuste ja juhtimisseadmete arvutamist. Samal ajal, kui me jaamast eemaldume, muutuvad ümbritseva ruumi mitte-galileilased omadused üha olulisemaks, mis on tingitud ainult selle kohalikust galileiaalsusest. Seetõttu tuleb “kaugetel piiridel” dokkides arvestada Maa gravitatsiooniväljaga, aga tähelepanuta jätta Päikese ja Kuu välja. Kahjuks ei paku olemasolev mehaanika vahendeid Maa gravitatsioonivälja arvessevõtmiseks kosmoseaparaadi võrdlusraamis ja kalkulaatorid peavad lülituma maa võrdlusraamile, mis pole muidugi mugav.

Niisiis, me näeme, kui oluline on mitte-Galilea ruumi kohaliku galileiaalsuse põhimõtte praktiline tähtsus. Ja mehaanilist teooriat, milles see põhimõte ei kehti, ei saa pidada astronautikas kasutamiseks sobivaks. Kuid Newtoni mehaanikas seda põhimõtet ei eksisteeri. Selles mehaanikas käsitletakse gravitatsioonivälja ainult globaalselt, reeglina ühes spetsiaalses "Koperniku" tugiraamistikus - massikeskme võrdlussüsteem. Nimetasime seda võrdlussüsteemi Kopernikuks, kuna "peamiste", silmapaistvate võrdlussüsteemide avastamise au kuulub õigustatult Kopernikule. Kuid astronautika nõuab Koperniku paradigmast kõrvalekaldumist ja kosmosenavigatsiooni arvutustes esineb sellist kõrvalekaldumist pidevalt. Kohalike võrdlussüsteemide kasutamine on Koperniku globalismi paradigma tagasilükkamine gravitatsiooniväljade kirjeldamisel. Seetõttu võib uut mehaanikat nimetada mitte-newtonilikuks ja mitte-koperniklikuks või õigemini neo-optolemaiseks.

Märgime veel kord, et Maa pinnal toimuvate mehaaniliste nähtustega seotud mehaanikas on Newtoni lähenemine üsna mugav ja efektiivne, mis näitab kogu mehaanika arengut läbi sajandite. Kuid astronautikas tekitab see lähenemine suuri raskusi, millest me eespool rääkisime. Ja uus lähenemine paljastab maksimaalselt ruumis toimuvate mehaaniliste protsesside loogika, avab võimalused enamaks lihtne lahendus teadaolevad probleemid ja uute sõnastamine.

7. Kaal kui mehaanika põhimõiste

Oleme näidanud, et paljudes mehaanikaprobleemides, eriti taevamehaanika probleemides, jõud kaovad. Taevamehaanika arvestab ju eelkõige vabade taevakehadega, s.t. kehad, millele jõudu ei rakendata.

Nagu teada, on Newtoni mehaanikas jõu mõiste fundamentaalne, põhimõiste. Mehaanikas pole seda isegi määratletud, vaid see on võetud teistest teadustest, näiteks füüsikast. Nii nagu mehaanikas pole kauguse mõistet defineeritud, on see selle jaoks põhiline ja võetud geomeetriast.

On selge, et teooria aksiomaatilises ülesehituses on soovitav kasutada põhimõistetena kõige olulisemaid ja laialdasemalt kasutatavaid tunnuseid. Kuid paradoks on see, et mehaanilise maailma erinevates suuremahulistes piirkondades muutuvad sellised omadused.

Näiteks Newtoni mehaanika sobib kõige paremini makromehaanika nähtuste kirjeldamiseks, s.t. mehaanilised nähtused inimese suurusega võrreldaval skaalal. Ja siin on jõud äärmiselt oluline mõiste ja selle kasutamine põhimõistena on igati õigustatud. Tõepoolest, me näeme selgelt veenide pingest küttepuudega vankrit vedava hobuse tugevust, näeme vibu tõmbejõudu ja võime hõlpsasti ette kujutada aurumasina kandurile mõjuvat jõudu. Lõpuks näeme oma lihaste pinge ja intensiivse hingamise kaudu tõstetava palgi raskuse tugevust.

Kuid juba mikromaailmas on jõude raske ette kujutada. Ja teised mehaanilised omadused, nagu energia ja tegevus, on esikohal. Ja vastavalt sellele tekivad uued mehaanilised mudelid, teooriad, mida tuntakse üldnimetuse "analüütiline dünaamika" all. Need on Lagrange'i, Hamiltoni, Poincare'i jne mehaanika. Tegelikult on need erinevad mehaanika “keeled”, milles on mugav kirjeldada oma klassi ja eelkõige mehaaniliste nähtuste laiaulatuslikku taset. Kuigi need on põhimõtteliselt samaväärsed, s.t. anda samale probleemile samu lahendusi, kuid igal keelel on ülesannete klass, mida saab selles kõige selgemalt ja lihtsamalt lahendada. Pealegi osutus mehaanika laiendamine mikromaailma, kvantdomeenile võimalikuks just nendes uutes “energia” keeltes, näiteks Hamiltoni keeles, kuid Newtoni keele jaoks ei ehitatud kunagi laiendust kvantdomeenile. . See näitab juba uute mehaaniliste keelte loomise tähtsust. Ilma tervet klassi selliseid keeli ehitamata 19. eluaasta vahetusel - 20 sajandit oleks võinud olla võimatu luua mikroosakeste mehaanikat ja ilma selleta oleks võimalik luua kogu neid kasutav tehnoloogia - elektroonika, tuumaenergia jne. See on "mehaaniliste keelte" tähendus. Aluseks oli Newtoni keel tööstusrevolutsioon XVIII sajand ning mehaaniliste masinate ja mehhanismide loomine. Mitte-Newtoni energeetilised mehaanika keeled olid aluseks kahekümnendal sajandil mikromehaaniliste protsesside teooria loomisel, millest sai kogu elektroonika, tuumafüüsika, lasertehnoloogia ja muude tehnoloogiavaldkondade loomise alus. kahekümnendal sajandil.

Kahekümnenda sajandi keskel tekkinud astronautika kasutab siiani Newtoni mehaanilist keelt, mis töötati välja muude mehaaniliste nähtuste skaalade jaoks. See ei sobi astronautikaks. Sellise keskse mõiste nagu kaalutus ja veelgi enam "kaalulisus" puudumine selles keeles, selliste inetute ja vastuvõetamatute sõnade laialdane kasutamine teaduses nagu "ülekoormus" (ja mis on "koormus"?) veelgi kohutavamate fraasidega. nagu "negatiivne ülekoormus", "alakoormus" jne. räägib enda eest. Kosmonautika ja üldiselt megamaailma piirkond vajab oma, adekvaatsemat keelt. Ja on ilmselge, et mõistet “jõud” selle keele põhimõistena enam kasutada ei saa. Vaja on uut fundamentaalset mehaanilist kontseptsiooni, mille alusel uus keel mehaanika, mis sobib paremini kosmonautika ja megamaailma kirjeldamise ülesannetega.

Selle uue põhikontseptsiooni leidmiseks pöördugem astronautika poole. Astronautikas on "kaaluta olek" keskne mõiste.

Me kõik saame telepildist hõlpsasti kindlaks teha kaaluta oleku olemasolu. Aga mis see mehaanikateaduse seisukohast on? Siin on vaid mõned kaaluta oleku määratlused kõige autoriteetsematest allikatest.

Kaalutus- seisund, kus kaob keha ja toega koosmõju jõud (keha näivkaal), mis tekib seoses gravitatsioonilise külgetõmbejõuga või seoses keha kiirendusega. Mõnikord võite kuulda sellele efektile teist nime – mikrogravitatsioon.( Vikipeedia).

Määratlus on lihtsalt ebaselge. Mis on "kiirendusest tulenev vastasmõju jõud"? Mehaanikas sellist mõistet pole. Mis on "nähtav kaal"? Ja vaevalt on lubatud mikrogravitatsiooni segamini ajada kaaluta olemisega. Need on erinevad mõisted.

Kaalutus on seisund, kus kehale mõjuvad gravitatsioonijõud ei avalda selle osade vastastikust survet üksteisele ( Astronoomiline sõnastik Venemaa Teaduste Akadeemia Kosmoseuuringute Instituudi veebisaidil).

Üldiselt jääb arusaamatuks, miks äkki kaovad kehasisesed “vastastikused surved” ruumis või langevarjur hüppe ajal? Mis, tema südamerõhk kaob või klapp ei vajuta enam oma istmele. Või kaob vedeliku siserõhk, moodustades nullgravitatsioonis sfäärilised tilgad? Ja kuidas me saame kindlaks teha, kas need vastastikused surved on seotud gravitatsioonijõududega või mitte? Ja kas see vastab kosmoselaeva telepildile? Isegi kõige kirjaoskamatum inimene ütleb kohe, et kaaluta olek - see on midagi täiesti erinevat ja veelgi enam astronaudid ise.

Kaalutus, - kehade seisund väljaspool gravitatsioonijõude (vene õigekeelsussõnaraamat Venemaa Teaduste Akadeemia).

Määratlus võib tuua ainult naeratuse. Aga sõnaraamatu loojad- keeleteadlased - Nad ei tulnud selle peale ise, vaid kasutasid ilmselt Teaduste Akadeemia spetsialistide nõuandeid.

Kaalutus- materiaalse keha seisund, milles sellele mõjuvad välised jõud või tema poolt teostatav liikumine ei põhjusta osakeste vastastikust survet üksteisele ( Suur Nõukogude entsüklopeedia).

Võrrelge ühe järgu "jõudude" ja "teostatud liigutustega" - see on midagi mehaanika piiridest. Pange tähele ka seda, et kõigis definitsioonides on mõiste "olek", kuigi mehaanikas puudub mõiste "seisund".

Seega astronautika keskne mõiste - Mitte kaalukus - kaasaegses mehaanikas pole sellel üldse õiget kirjeldust. Tunne on selline, et teoreetilise mehaanika jaoks on olemas “terra incognito”, mis on puhkenud reaalse mehaanikapraktika sfääri, kuid millele teoorias kohta pole. Sellepärast nad mõtlevad välja, mida tahavad.

Aga kui on "kaalutatus", siis peab olema ka "kaalulisus", mille puudumine tekitab "kaalutatuse". Need on teadusliku loogika nõuded, teaduskeelte loomise seadused.

Ja uue keele loomiseks postuleerime uue mehaanika kontseptsiooni olemasolu - mõisted" mehaanilise objekti mehaaniline seisund" Newtoni mehaanikas seda mõistet ei eksisteeri. See on uue keele uus kontseptuaalne kontseptsioon. Ja vastavalt" kaalukus" Seal on iseloomulik keha mehaanilisele seisundile. Ja kaalutus on eriline, erijuhtum oluline olek, oluline olek, millel pole kaalu.

Jääb veel iseloomustada kaalukuse mõistet. Me nõustume, et mehaanika uues keeles on kaal põhiline, tuvastamatu keeles endas mõiste, mis asendab newtoni keele jõu fundamentaalset mõistet. Kaal on vektor, mis rakendatakse kehale endale ja liigub koos kehaga.

Me ei saa defineerida kaalu mõistet keeles endas, kuid saame anda kirjelduse seadmetest, mis seda suurust mõõdavad. Me nimetame neid kaalumõõtureid " kaalumõõtjad" Selgub, et kaalumõõtjaid kasutatakse laialdaselt tehnikas ja eelkõige astronautikas. Neil on lihtsalt imelik nimi." kiirendusmõõturid", st. kiirendusmõõturid. On selge, et vedru kaal ei saa mõõta kiirendust (seetõttu pakkus akadeemik Ishlinsky nendele seadmetele välja nimetuse "newtonometers", mis on parem, kuid mitte päris). See ei mõõda kinemaatilisi omadusi - viimane suurus on ju suhteline ja sõltub võrdlussüsteemist ja vaatlejast, nimelt objekti mehaanilise oleku tunnusest. Kaalumõõturitel on ka teine nimi - see pealkiri" gravimeetrid", mida kasutatakse gravimeetrias. See on igal juhul parem kui kiirendusmõõtur. Samas märgime, et inimestel (ja teistel loomadel) on meeleorgan - kuues meeleorgan - mis koosneb tervest kaalumõõtjate komplektist. See meeleorgan - vestibulaarne aparaat - asub inimese sisekõrvas. Füsioloogilistel kaalumõõturitel endil on mingi meditsiiniline nimi, aga mehaanilist pole, sest mehhaanilistel teoreetikutel ei olnud julgust neid sisemisi füsioloogilisi kaalumõõtjaid kiirendusmõõturiteks nimetada, see oleks liiast valutas mu kõrvu.

Ja seos neo-optolemaise mehaanika ja Newtoni mehaanika vahel toimub kontseptsiooni kaudu tugevus. Kuid nüüd on jõud juba teisene, tuletatud mõiste. Jõud on vektorkogus, mis on võrdeline gravitatsioonimooduli ja kehamassi korrutisega ning antikollineaarne gravitatsioonivektoriga.

Siin m- kaal, W- kaaluvektor, F- jõu vektor. Tuletame veelkord meelde, et jõud on ainult elektromagnetilised, gravitatsioonilisi ei ole. Kuna kivile rakendatakse ülespoole suunatud toetusjõudu, on Maal olevate kehade raskus suunatud allapoole.

Siit on kohe selge, et Newtoni mehaanika seisukohalt on kaal spetsiifiline jõud, s.t. jõud massiühiku kohta, kuigi see on suunatud jõuvektori suhtes vastupidises suunas.

Ja lõpuks, see pole enam lihtsalt jõu määratlus, vaid mehaanika mõtestatud aksioom seisneb Newtoni kolmandas seaduses: reaktsioonijõud on võrdne aktiivse jõuga, kuid on suunatud vastupidises suunas.

Antakse seos liikumise ja mehaanilise oleku vahel inertsiaalses tugiraamistikus uues mehaanikas muudetud Newtoni teise seadusega (aksioom): kiirendus on võrdeline kaaluga, kuid selle suund on pöördvõrdeline kaaluvektoriga.

w– keha kiirendus inertsiaalses tugisüsteemis, W- selle kaal. Mehaanika põhiseaduse saame väga lihtsal kujul. See võrrand ei hõlma keha sisemisi, immanentseid omadusi. See on väga tähtis. Kõik kehad liiguvad ühtemoodi, kui nad on samas mehaanilises olekus, alates mõnest tolmukübemest kuni lahingulaeva peamise kaliibriga kestani.

Omal ajal jõudis Galileo Pisa tornist kive visates järeldusele, et kõik kehad langevad võrdselt. Uus seadus mehaanika laiendab seda väidet järgmiselt: Kõik kehad liiguvad ühtemoodi, kui nad on samas mehaanilises olekus.

SI kaaluühik on N/kg. Seda ühikut gravimeetrias nimetatakse tavaliselt Galileoks, lühendatult Ch. Kaal Maa pinnal 9,81 Gl, Kuu pinnal - 1,62 Gl, raketis stardipaigas umbes 40 Gl, lahingupöörde ajal hävitajas kuni 80 Gl, ballistilise raketi Topol-M õhkutõusmisel kuni 120 Gl, kahurimürsu kaal kiirenduse ajal tünn võib olla kuni 100 kGl., mikrogravitatsiooni kaal in orbitaaljaam on umbes 1 nGl (nanoGalileo). Näeme, millistes suurtes piirides varieerub tavade kaal.

8.Kaal

Uus mehaanika algatab uue mehaanilise distsipliini loomise - kaalud. See on mehaanilise seisundi teadus. See leiab oma rakenduse paljudes rakendusteadustes ja tehnoloogiates. Need on kosmose-, lennu- ja meremeditsiin, biofüüsika, veterinaaria, jõuteadused, spordimeditsiin, spordialade mehaanika, masinate, aparatuuri ja pargiatraktsioonide mehaanika ja disain jne. Ja esiteks annab see kõikidele nendele teadustele ja tehnoloogiatele ühtse teadusliku terminoloogia, mitte mingite kummaliste “ülekoormuste”, “alakoormuste” jne asemel. Uues mehaanikas kutsutakse raskusi hõivama Newtoni mehaanikas staatikaga samal kohal. .

Niisiis oleme määratlenud uue mehaanilise keele põhimõisted. Kui mehaanilist objekti peetakse elementaarseks, jagamatuks, siis iseloomustab seda nii üks kaaluvektor kui ka üks jõud. Kui meil on komposiitmehaaniline objekt, mida nimetatakse kehaks, siis on meil keha raskuse jaotus. See jaotus võib olla tasane, s.t. kõik kehaosad on võrdse kaaluga. Kuid see võib olla keeruline ka siis, kui keha teeb ise liigutusi, näiteks pöördeid, või asub mitte-Galilei ruumis.

9. Gravitatsioonivälja kirjeldus

Seega on gravitatsiooniväli mitte-Galilei ruumi piirkond. Kuidas seda ruumi kirjeldada?

Newtoni mehaanikas on gravitatsioonijõud. Seetõttu kirjeldatakse gravitatsiooni väljatugevusega, s.t. erigravitatsioonijõudude jaotus, massiühikule rakendatavad jõud.

Kuid uues mehaanikas pole gravitatsioonijõude ja gravitatsioon on lihtsalt ruumi omadus. Seetõttu Newtoni lähenemine ei sobi.

Einsteini gravitatsioonikäsitluses on gravitatsioon omadus, mis painutab ruumi. See kõverus viib selleni, et koordinaatvõrk (geodeetilised jooned), mis üldrelatiivsusteoorias koosneb valguse liikumisjoontest, muutub kõveraks. Selle ruumi kõverus määrab gravitatsioonivälja. Kuid ei kosmonautika, taevamehaanika ega isegi tähtede ja galaktikate mehaanika valdkonnas pole see kirjeldus praktiliselt rakendatav. Valguse trajektooride kumerused on nendel skaaladel liiga tähtsusetud ja praktilised gravitatsiooniväljad on üldrelatiivsusteooria jaoks liiga väikesed. Üldrelatiivsusteooria kasutamine praktiliselt kasutatavate gravitatsiooninähtuste vallas on sama, mis meeterlindi kasutamine aatomikauguste mõõtmiseks. Seevastu Newtoni lähenemine toob kaasa piisavad gravitatsioonikarakteristikud astronautika või taevamehaanika skaalal.

Niisiis jõuame järeldusele: Newtoni lähenemine kirjeldab hästi praktiliselt olulisi gravitatsioonivälju, kuid see põhineb gravitatsioonijõududel, mida meil ei ole; Einsteini lähenemisviis põhineb ruumi omaduste muutmisel, kuid see on tõhus. ainult ülitugevate gravitatsiooniväljade piirkonnas, mitte astronautikas, mida taevamehaanikas praktiliselt ei leidu. Sellel võib olla koht kosmoloogias, kuid mitte Maa-lähedastele orbiitidele või Päikesesüsteemi sees toimuvate lendude kirjeldamise valdkonnas. Ja selleks on vaja luua gravitatsioonivälja kirjeldus, mis on mõõtmete poolest adekvaatne Newtoni omaga, kuid samal ajal tugineb see kirjeldus ruumi omaduste muutustele, nagu Einsteini lähenemisviisis.

Ja selgub, et seda saab teha. Selleks peate lihtsalt kasutama uue mehaanika põhiväärtust - kaalukus.

Galilei ruumis on võimalik luua inertsiaalne tugiraamistik, milles vabad kehad liiguvad ühtlaselt ja sirgjooneliselt või on puhkeasendis. Sellest järeldub, et Galilei ruumis on võimalik luua puhkavate ja kaalutute kehade keskkond. Kuid see keskkond võib olla lihtsalt võrdlusraamistik. Peate lihtsalt need kaalutud kehad puhkeolekus teatud viisil tähistama, määrama neile koordinaadid ja kirjeldama neid kehade liikumisi.

Mitte-Galilei ruumis ei saa vabad kehad olla üksteise suhtes liikumatud. Igasugune vabade kehade ansambel hakkab lahti hargnema. Ja kui tahame, et gravitatsiooniväljas olevad kehad oleksid üksteise suhtes liikumatud, tuleb need kuidagi üksteise külge kinnitada, s.t. neile jõudu rakendada. Ja jällegi mitte gravitatsiooniline, vaid tavaline, elektriline või magnetiline.

Aga kui me rakendame kehadele jõude, siis nad lakkavad olemast vabad ja muutuvad kaalukaks. Ja selles liikumatus keskkonnas on kaalu jaotus. Seda kaalujaotust saame kasutada gravitatsiooniväljale iseloomuliku väljana. Seega võib gravitatsioonivälja tunnuseks saada statsionaarses keskkonnas olev gravitatsiooniväli. Seda kaalude jaotust võime ka nimetada gravitatsioonivälja tugevus.

On hästi näha, et oleme numbriliselt jõudnud samale Newtoni gravitatsiooniväljale, erijõule, alles nüüd oleme selle ümber tõlgendanud: mitte gravitatsiooni erijõud, vaid mittegravitatsioonijõudude erijõud, s.t. kaal on muutunud gravitatsioonivälja intensiivsuseks. Kuid mõlema teooria gravitatsioonivälja tugevuste väärtused langevad täielikult kokku.

Näib, et oleme jõudnud sama asjani ja gravitatsiooniväljade tegelik kirjeldus ei erine. Aga tegelikult mitte. Fakt on see, et gravitatsioonijõud on absoluutne, universaalse gravitatsiooni seaduse järgi gravitatsioonikehade vahel mõjuvad jõud on absoluutsed. Seetõttu on gravitatsiooniväljad ainulaadsed ja absoluutsed. Need nõuavad ühtset ja spetsiaalset tugiraamistikku, s.t. Koperniku tugiraamistik. Kuid uues mehaanikas on see raskuste jaotus jäigas virtuaalses keskkonnas. Ja selliseid virtuaalseid keskkondi saate ruumis tutvustada nii palju kui soovite. Eelnevalt valitud kandjaid ei ole, algkehadeks saab valida erinevaid kehasid, millele saab koordinaatkeskkonna loomiseks “kinnitada” teisi kehasid. Absoluutsest gravitatsiooniväljast jõuame mitme muutujaga suhtelise gravitatsiooniväljani. Nii jõudsime veelgi suurema üldiseni; see osutub "isegi suhtelisemaks", kui Einsteinile tundus.

Kuid see relatiivsusteooria pole enam mingi "üldise kovariatsiooni" teoreetiline nipp. See on praktiline ja astronautika jaoks äärmiselt oluline. Näiteks võime võtta algkehana Maa keskpunkti ja konstrueerida Maa fikseeritud keskpunktiga võrdlusraamis gravitatsioonivälja. Orbiidil olev astronaut võib võtta oma laeva stardikehaks ja ehitada võrdlussüsteemi, kus ta on fikseeritud võrdluspunktiks ja jaotatud raskused selles keskkonnas, milleks saab gravitatsiooniväli. See ruumiautotsentriline gravitatsiooniväli erineb oluliselt geotsentrilisest.Muidugi on vaja veel avastada ühest gravitatsiooniväljast teise ülemineku seadused ja luua vastav matemaatiline aparaat. Aga see on juba tehniline küsimus. Ja mõnel juhul on astronaudil mugavam kaaluda kehade liikumist kosmonautotsentrilises võrdlusraamis. Ja lunarnautile kuujaamas - selenotsentrilises referentssüsteemis maapealsele astronoomile - geotsentrilises (Ptolemaiose) süsteemis ning koolilastele ja üliõpilastele on kasulik kasutada heliotsentrilist süsteemi Päikesesüsteemi struktuuri visuaalseks kujutamiseks. Seega ei lükka neo-optolemaiose mehaanika Koperniku mehaanikat tagasi, vaid asetab selle lihtsalt samale tasemele teiste võrdlussüsteemidega, sealhulgas Ptolemaiose süsteemidega. Ja küsimus, milline süsteem on õige, küsimus, mille pärast nii palju verd valati ja tuleriidale mindi, osutus mitte religiooni või ideoloogia, vaid puhta pragmatismi küsimuseks. - Ükskõik milline süsteem on konkreetse ülesande jaoks tulusam, peaksite seda kasutama. Uus mehaanika ühendab Ptolemaiose ja Koperniku, Giordano Bruno ja tema timukad.

Samas märgime kohe ära, et kõik ülalloetletud referentssüsteemid on seotud vabakehadega, seetõttu on nad kõik lokaalselt galilealikud, s.t. nende süsteemide alguses puudub gravitatsiooniväli ja väljatugevus on null. Oleme saanud vabade kehadega seotud gravitatsiooniväljade kõige olulisema omaduse, mida praeguses mehaanilises teoorias ei ole, kuid praktiline astronautika on kasutanud neid pikka aega. Kuid teatud skeemide ja faktide kasutamine ilma nende teoreetilise põhjenduseta põhjustab sageli vigu ja muid ebasoodsaid tulemusi. Seetõttu on kosmosepraktika teoreetiline põhjendus oluline.

10.Kehade liikumine gravitatsiooniväljas

Ja nüüd saame üles kirjutada vabade kehade liikumisvõrrandi gravitatsiooniväljas. Selle võrrandi saab kirjutada väga lihtsalt: kiirendus w vaba (kaalutu) keha on võrdne gravitatsioonivälja tugevusega V:

Milline on gravitatsioonikiirendus Maa väljas? See on arvuliselt võrdne gravitatsioonivälja intensiivsusega Maa pinnal ja on suunatud samas suunas. Me teame Maa pinnal olevat kaalu, W=9,81 Ch. Kuid see kaal on samal ajal gravitatsioonivälja intensiivsus Maa pinnal, V = 9,81 Ch. Seega on vabalangemise kiirendus arvuliselt võrdne väljatugevusega, kuid sellel on loomulikult ka muud mõõtühikud - w = 9,81 m/s2.

Ja lõpuks, kaaluka keha gravitatsiooniväljas liikumise üldistatud seadus on järgmine: kaalulise keha kiirendus gravitatsiooniväljas on võrdne väljatugevusega, millest on lahutatud selle kaal, s.o.

Oleme saanud Newtoni teise seaduse üldistuse. Ta selgitab suurepäraselt kõik faktid. Kui keha on liikumatu, on kiirendus null, siis gravitatsiooniväljas võrdub kaal väljatugevusega ja vastupidi, gravitatsioonivälja tugevus on võrdne liikumatute kehade raskusega. Kui gravitatsiooniväli puudub, siis on kiirendus võrdne vastupidise märgiga keha massiga Ja kui gravitatsiooniväli on olemas ja keha on vaba, siis on selle kiirendus suunatud piki väljatugevust ja on arvuliselt võrdne seda. Väga lihtne ja visuaalne tõlgendus liigutustest ja seisunditest.

Märgime veel kord, et see võrrand ei hõlma keha sisemisi omadusi (näiteks massi). Selle tähtsust astronautika ja mehaanika navigatsiooniarvutuste jaoks üldiselt ei saa ülehinnata. See on Galileo printsiibi veelgi edasine laiendus: kõik samas gravitatsiooniväljas ja samas mehaanilises olekus olevad kehad liiguvad ühtemoodi.

11. Harmoonilised tugisüsteemid

Kuid pangem kohe tähele, et see võrrand ei saadud mitte suvalise võrdlussüsteemi, vaid ainult spetsiaalsete, nn harmooniliste referentssüsteemide jaoks. Harmooniline tugisüsteem on võrdlusraam, mis on lõpmatuses inertsiaalne. Inertsiaalsed võrdlussüsteemid on loomulikult harmoonilised. Kuid mitteinertsiaalsed võrdlussüsteemid Galilei ruumis on juba ebaharmoonilised. Mitte-Galilei ruumis ei ole inertsiaalsüsteeme, küll aga on referentssüsteeme, mis on väljaspool mitte-Galilei piirkonda inertsiaalsed, s.t. lõpmatuses. Need on harmoonilised võrdlussüsteemid. Kui gravitatsioon "eemaldada", muutuvad need inertsiaalseteks tugiraamistikeks. Näiteks Maaga seostatav, kaugetele tähtedele orienteeritud etalonraam ei ole Maa välja olemasolu tõttu inertsiaalne, vaid on harmooniline. Seetõttu ei ole Maa inertsiaalse võrdlussüsteemi konstrueerimise probleem täiesti õigesti sõnastatud. See on harmoonilise võrdlusraami konstrueerimise probleem. See on väga oluline isegi igapäevaelus, näiteks mobiilside- ja kosmoseside ning kosmosenavigatsioonisüsteemide jaoks. Seda saab lahendada kas kaugete tähtede abil või sisemiste stabiliseerimisseadmete, näiteks güroskoopide abil. See on ka astronautika kõige olulisem ja püsivam ülesanne.

Liikumisseadused mitteharmoonilistes, tegelikult pöörlevates tugiraamides muutuvad keerulisemaks, kuid me ei hakka sellel pikemalt peatuma, sest meie ülesanne ei ole konstrueerida kogu uut mehaanikat, vaid ainult demonstreerida selle vajalikkust ja sõnastada need põhimõisted. ja seadused, mis eristavad seda praegusest Newtoni mehaanikast.. Koperniku mehaanika. Rõhutame veel kord. Praegust mehaanikat ei tõrjuta, see on hea ja tõene terve rea nähtuste puhul kas väljaspool gravitatsioonivälja või konstantses gravitatsiooniväljas, s.t. mehaanikas Maa pinnal. Kuid astronautikas, kus on keeruline kombinatsioon muutuvatest gravitatsiooniväljadest ja mitmekesistest liikumistest, kus liikumise objektiks ei ole surnud kivid ja kosmilised kehad, vaid mõtlev olend, inimene, on see ebarahuldav.

12.Gravitatsioonivälja võrrandid

Ja nüüd saame üles kirjutada gravitatsiooni (gravitatsiooni)välja võrrandid. Selle võrrandi vorm on identne Newtoni mehaanika väljavõrrandiga:

Siin r on aine tihedus.

Esmapilgul on see Newtoni gravitatsioonivälja tavaline võrrand. Kuid siin on peensusi. Need on järgmised:

1. Väljavõrrand Newtoni mehaanikas on kirjutatud massisüsteemi keskpunkti, s.o. Koperniku tugiraamistikus. Meie mehaanikas kehtib see võrrand iga harmoonilise tugiraamistiku kohta. Need. see kehtib nii päikesesüsteemi kui ka Maa võrdlusraami ja orbitaalse või planeetidevahelise kosmoselaeva võrdlusraami kohta.

2. Matemaatikast on teada, et selle võrrandi lahendamiseks on vaja seada kas piir- või algtingimused. Elektromagnetväli nõuab piirtingimuste seadmist. Kuid gravitatsiooniväli nõuab esialgsete seadmist. Piiritingimused - harmoonilise kaadri lõpmatuse nulltingimused täidetakse automaatselt. Ja algtingimused, s.o. väljatugevus võrdluskaadri algpunktis, st. tuleb täpsustada võrdlussüsteemi algkeha kaal. Ja kui võrdlussüsteemi alguspunkt on seotud vaba kehaga, siis see võrdlussüsteem on lokaalselt inertsiaalne ja välja algväärtus on null. V (0)=0.

3. Ka matemaatikast on teada, et vektorvälja määramiseks tuleb määrata üks lahknemine. mitte piisavalt. Samuti on vaja täpsustada põllu rootor. Kui nõustume, et gravitatsiooniväli on potentsiaalne, tähendab see välja rootorit võrdne nulliga ja siis gravitatsioonivälja võrrandisüsteem harmoonilises tugiraamistikus kirjutatakse kujul:

Seega kirjeldab see väljavõrrandisüsteem gravitatsioonivälja (gravitatsioonivälja) harmoonilises tugiraamistikus. Mitteharmooniliste võrdlussüsteemide puhul on kaaluvälja jaotus erinev, kuid sellest me praegu ei räägi.

13.Newtoni gravitatsioonilise gravitatsiooniteooria laiendus

Kas gravitatsiooniteoorial on laiendus? Peame silmas tavalist laienemisviisi mõne uue liikme lisamisega? Jah. Selleks peaksite sisestama parem pool teisel võrrandil on nullist erinev liige. Kuna võrrand on aksiaalvektor, siis paremal on vaja sisse viia mingisugune keskkonnale iseloomulik aksiaalvektor. Kas selline asi on olemas? Jah, see on sisemise pöördemomendi tihedus (spin) s. Ja mõõtmeid arvesse võttes saame selle gravitatsioonivälja võrrandisüsteemi harmoonilises tugiraamistikus kirjutada järgmiselt:

Siin A- mingi mõõtmeteta konstant, mis tuleb veel vaatluste põhjal kindlaks määrata.

Mida selle liikme lisamine tähendab? See tähendab, et pöörleva keha läheduses on gravitatsioonivälja täiendav keerisekomponent. Üksiku pöörleva keha keerisväli on sarnane ühe magnetdipooli magnetväljaga. See langeb väga kiiresti, vastavalt raadiuse kuubile. Ja seetõttu saab see mõjutada liiklust ainult vahetus läheduses.

Päikese vahetus läheduses asub planeet Merkuur. Selle liikumise ja Newtoni seaduste lahknevust on täheldatud pikka aega. Ja kui arvatakse, et see kajastub Einsteini gravitatsiooniteoorias, siis miks ei võiks see kajastuda moderniseeritud neonewtoni gravitatsiooniteoorias? Teine võimalik efekt on seotud selle välja mõjuga güroskoopile selle pöörlemistelje muutumise näol. Ja see efekt on ilmselt juba avastatud katses Ameerika satelliidil GP-B (gravitatsioonisond). - B), käivitati 2004. aasta aprillis.

Võimalikud on ka muud selle valdkonna ilmingud. Valguse kõveruse arvutamisel Päikese ketta lähedalt möödumisel Newtoni teooria järgi (selle teooria järgi liiguvad kõik mehaanilised objektid ühtemoodi, liikumise määravad ainult algtingimused), erineb saadud väärtus vaadeldavast. üks. On täiesti võimalik eeldada, et see on tingitud just Päikese keerisevälja mõjust. Eriti tugevalt mõjutab keeriseväli gaasilise ja plasmaaine liikumist Päikese ülemises kestas. On täiesti võimalik, et see annab uusi lähenemisi Päikese füüsikale ja päikeseatmosfäärile ning selle tegevusele. Üldiselt on pöörlemine üks olulisemaid astrofüüsikalisi tegureid. Ja gravitatsioonivälja keerisekomponendi kasutuselevõtt võib oluliselt muuta meie ideid megamaailma struktuuri kohta. Piltlikult öeldes, kui gravitatsioonivälja potentsiaalne komponent tagab universumi stabiilsuse, siis pööriskomponent annab sellele dünaamika. Kuid me täheldame hämmastavat dünaamilisust kosmoses, megamaailmas ja isegi Maal.

14.Järeldus

Minevik (ja praegune) Newtoni-Koperniku mehaanika ei vasta nõuetele, mida kaasaegne kosmonautika esitab mehaanilisele teooriale. See ei anna kosmilise kogemuse adekvaatset teoreetilist kirjeldust ja on sageli sellega lihtsalt vastuolus. Ainult uus mitte-Newtoni ja mitte-Koperniku mehaanika avab astronautikale ja veelgi laiemalt mehaanikale ja selle praktilistele rakendustele uusi horisonte. Selle mehaanika keskmes on uus arusaam gravitatsioonist, gravitatsioonist ilma gravitatsioonijõududeta, kuid võib-olla koos keerisekomponendiga.

Gravitatsioon on universumi kõige salapärasem jõud. Teadlased ei tea selle olemust täielikult. Just tema hoiab Päikesesüsteemi planeete orbiidil. See on jõud, mis tekib kahe objekti vahel ja sõltub massist ja kaugusest.

Gravitatsiooni nimetatakse külgetõmbejõuks või külgetõmbejõuks. Tema abiga tõmbab planeet või muu keha objekte oma keskme poole. Gravitatsioon hoiab planeete Päikese ümber orbiidil.

Mida gravitatsioon veel teeb?

Miks maandute püsti hüpates maapinnale, mitte ei uju kosmosesse? Miks asjad kukuvad, kui neid viskad? Vastus on nähtamatu gravitatsioonijõud, mis tõmbab objekte üksteise poole. Maa gravitatsioon hoiab teid maa peal ja paneb asjad kukkuma.

Kõigel, millel on mass, on gravitatsioon. Gravitatsioonijõud sõltub kahest tegurist: objektide massist ja nendevahelisest kaugusest. Kui võtad üles kivi ja sule ning vabastad need samalt kõrguselt, kukuvad mõlemad esemed maapinnale. Raske kivi langeb kiiremini kui sulg. Sulg jääb ikkagi õhus rippuma, sest see on kergem. Suurema massiga objektidel on suur jõud külgetõmme, mis muutub kaugusega nõrgemaks: kui lähem objekt s üksteise suhtes, seda tugevam on nende gravitatsiooniline külgetõmme.

Gravitatsioon Maal ja universumis

Lennuki lennu ajal püsivad selles viibivad inimesed paigal ja saavad liikuda justkui maapinnal. See juhtub lennutrajektoori tõttu. On spetsiaalselt konstrueeritud lennukeid, milles teatud kõrgusel puudub gravitatsioon, mille tulemuseks on kaaluta olek. Lennuk sooritab spetsiaalse manöövri, objektide mass muutub ja need tõusevad lühikeseks ajaks õhku. Mõne sekundi pärast gravitatsiooniväli taastub.

Arvestades gravitatsioonijõudu kosmoses, maakera see on suurem kui enamik planeete. Vaadake lihtsalt astronautide liikumist planeetidele maandumisel. Kui jalutame rahulikult maa peal, siis astronaudid näivad hõljuvat õhus, kuid mitte kosmosesse lendavat. See tähendab, et sellel planeedil on ka gravitatsioonijõud, mis on vaid veidi erinev planeedil Maa omast.

Päikese gravitatsioonijõud on nii tugev, et see mahutab üheksa planeeti, arvukalt satelliite, asteroide ja planeete.

Gravitatsioon mängib oluline roll Universumi arengus. Gravitatsiooni puudumisel poleks tähti, planeete, asteroide, musti auke ega galaktikaid. Huvitav on see, et mustad augud pole tegelikult nähtavad. Teadlased määravad musta augu märgid gravitatsioonivälja tugevuse järgi teatud piirkonnas. Kui see on väga tugev ja tugeva vibratsiooniga, see näitab musta augu olemasolu.

Müüt 1. Kosmoses pole gravitatsiooni

Astronautidest rääkivaid dokumentaalfilme vaadates tundub, et nad hõljuvad planeetide pinna kohal. See juhtub seetõttu, et teistel planeetidel on gravitatsioon madalam kui Maal, mistõttu astronaudid kõnnivad justkui õhus hõljudes.

Müüt 2. Kõik mustale augule lähenevad kehad on tükkideks rebitud

Mustadel aukudel on võimas jõud ja moodustavad võimsad gravitatsiooniväljad. Mida lähemal on objekt mustale augule, seda tugevamaks muutuvad loodete jõud ja gravitatsioon. Edasine areng sündmused sõltuvad objekti massist, musta augu suurusest ja nendevahelisest kaugusest. Musta augu mass on täpselt vastupidine selle suurusele. Huvitav mida suurem suurus augud, seda nõrgemad on loodete jõud ja vastupidi. Seega kõik objektid ei rebene musta augu väljale sisenedes laiali.

Müüt 3. Tehissatelliidid võivad tiirleda ümber Maa igavesti

Teoreetiliselt võiks nii öelda, kui mitte sekundaarsete tegurite mõju tõttu. Palju oleneb orbiidist. Madalal orbiidil ei saa satelliit atmosfääri pidurdamise tõttu igavesti lennata, kõrgetel orbiitidel võib see püsida muutumatul kujul päris kaua, kuid siin hakkavad kehtima teiste objektide gravitatsioonijõud.

Kui kõigi planeetide hulgas oleks ainult Maa, tõmbaks satelliit selle poole ega muudaks oma trajektoori praktiliselt. Kuid kõrgetel orbiitidel ümbritsevad objekti paljud suured ja väikesed planeedid, igaühel on oma gravitatsioonijõud.

Sel juhul eemalduks satelliit järk-järgult oma orbiidilt ja liiguks kaootiliselt. Ja on tõenäoline, et mõne aja pärast oleks see lähimale pinnale kukkunud või teisele orbiidile liikunud.

Mõned faktid

Mõnes Maa piirkonnas on gravitatsioonijõud nõrgem kui kogu planeedil. Näiteks Kanadas, Hudsoni lahe piirkonnas, on gravitatsioonijõud väiksem.
Kui astronaudid kosmosest meie planeedile naasevad, on neil alguses raske maakera gravitatsioonijõuga kohaneda. Mõnikord kulub selleks mitu kuud.
Mustadel aukudel on kosmoseobjektide seas kõige võimsam gravitatsioonijõud. Ühel palli suurusel mustal augul on rohkem jõudu kui ühelgi planeedil.

Vaatamata gravitatsioonijõu pidevale uurimisele, jääb gravitatsioon lahendamata. See tähendab et teaduslikud teadmised jääb piiratuks ja inimkonnal on palju uut õppida.

Newton, kes väidab, et gravitatsiooniline külgetõmbejõud kahe vahel materiaalsed punktid massid ja kaugusega eraldatud on võrdeline mõlema massiga ja pöördvõrdeline vahemaa ruuduga - see tähendab:

Siin on gravitatsioonikonstant, mis võrdub ligikaudu 6,6725 × 10 −11 m³/(kg s²).

Universaalse gravitatsiooniseadus on pöördruuduseaduse üks rakendusi, mida leidub ka kiirguse uurimisel (vt nt Valgusrõhk), ja see on otsene tagajärg pindala ruutkeskmisele suurenemisele. suureneva raadiusega sfäär, mis toob kaasa iga ühiku pindala osatähtsuse ruutväärtuse vähenemise kogu sfääri pindalale.

Gravitatsiooniväli, nagu ka gravitatsiooniväli, on potentsiaalne. See tähendab, et saate sisestada paari kehade gravitatsioonilise külgetõmbe potentsiaalse energia ja see energia ei muutu pärast kehade liigutamist suletud ahelas. Gravitatsioonivälja potentsiaal toob kaasa kineetilise ja summa jäävuse seaduse potentsiaalne energia ja uurides kehade liikumist gravitatsiooniväljas, lihtsustab see sageli oluliselt lahendust. Newtoni mehaanika raames on gravitatsiooniline vastastikmõju pikamaa. See tähendab, et ükskõik kui massiivselt keha liigub, sõltub gravitatsioonipotentsiaal mis tahes ruumipunktis ainult keha asukohast Sel hetkel aega.

Suured kosmoseobjektid - planeedid, tähed ja galaktikad on tohutu massiga ja loovad seetõttu olulisi gravitatsioonivälju.

Gravitatsioon on kõige nõrgem koostoime. Kuna see aga toimib kõikidel kaugustel ja kõik massid on positiivsed, on see Universumis siiski väga oluline jõud. Eelkõige on kehade vaheline elektromagnetiline interaktsioon kosmilisel skaalal väike, kuna kogusumma elektrilaeng nendest kehadest on võrdne nulliga (aine tervikuna on elektriliselt neutraalne).

Samuti on gravitatsioon erinevalt teistest vastastikmõjudest universaalne oma mõjus kogu ainele ja energiale. Pole avastatud objekte, millel pole üldse gravitatsioonilist vastasmõju.

Oma globaalse olemuse tõttu on gravitatsioon vastutav selliste ulatuslike mõjude eest nagu galaktikate struktuur, mustad augud ja universumi paisumine ning elementaarsed astronoomilised nähtused - planeetide orbiidid ja lihtne külgetõmbejõud galaktikate pinnale. Maa ja kehade langemine.

Gravitatsioon oli esimene matemaatilise teooria poolt kirjeldatud interaktsioon. Aristoteles uskus, et erineva massiga objektid kukuvad maha erinevatel kiirustel. Alles palju hiljem tegi Galileo Galilei eksperimentaalselt kindlaks, et see pole nii – kui õhutakistus kõrvaldada, kiirendavad kõik kehad võrdselt. Isaac Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus (1687) kirjeldas hästi üldist gravitatsiooni käitumist. 1915. aastal lõi Albert Einstein üldise relatiivsusteooria, mis kirjeldab gravitatsiooni täpsemalt aegruumi geomeetria kaudu.

Taevamehaanika ja mõned selle ülesanded

Taevamehaanika lihtsaim probleem on kahe punkt- või sfäärilise keha gravitatsiooniline vastastikmõju tühjas ruumis. See ülesanne on sees klassikaline mehaanika lahendatud analüütiliselt suletud kujul; selle lahenduse tulemus on sageli sõnastatud Kepleri kolme seaduse kujul.

Kui interakteeruvate kehade arv suureneb, muutub ülesanne oluliselt keerulisemaks. Seega juba kuulus kolme keha probleem (st liikumine kolm keha nullist erineva massiga) ei saa analüütiliselt lahendada üldine vaade. Arvlahendusega lahenduste ebastabiilsus suhtes esialgsed tingimused. Päikesesüsteemi puhul ei võimalda see ebastabiilsus täpselt ennustada planeetide liikumist skaalal, mis ületab saja miljoni aasta.

Mõnel erijuhul on võimalik leida ligikaudne lahendus. Kõige olulisem on juhtum, kui ühe keha mass on oluliselt suurem kui teiste kehade mass (näited: Päikesesüsteem ja Saturni rõngaste dünaamika). Antud juhul võime esimese lähendusena eeldada, et valguskehad ei interakteeru üksteisega ja liiguvad Kepleri trajektoore mööda massiivset keha. Nendevahelisi interaktsioone saab häirete teooria raames arvesse võtta ja ajaliselt keskmistada. Sel juhul võivad tekkida mittetriviaalsed nähtused, nagu resonants, atraktorid, kaos jne. Selge näide sellistest nähtustest on Saturni rõngaste keeruline struktuur.

Vaatamata katsetele täpselt kirjeldada suure hulga ligikaudu sama massiga ligitõmbavate kehade süsteemi käitumist, ei saa seda dünaamilise kaose nähtuse tõttu teha.

Tugevad gravitatsiooniväljad

Tugevates gravitatsiooniväljades, aga ka gravitatsiooniväljas relativistlikul kiirusel liikudes hakkavad ilmnema üldise relatiivsusteooria (GTR) mõjud:

aegruumi geomeetria muutmine;
- selle tagajärjel gravitatsiooniseaduse kõrvalekalle Newtoni omast;
- ja äärmuslikel juhtudel - mustade aukude tekkimine;
gravitatsioonihäirete lõpliku levimiskiirusega seotud potentsiaalide viivitus;
- selle tagajärjel gravitatsioonilainete ilmumine;
mittelineaarsuse efektid: gravitatsioon kipub suhtlema iseendaga, mistõttu superpositsiooni põhimõte tugevates väljades enam ei kehti.

Gravitatsiooniline kiirgus

Üldrelatiivsusteooria üheks oluliseks ennustuseks on gravitatsioonikiirgus, mille olemasolu pole veel otseste vaatlustega kinnitatud. Siiski on selle olemasolu kasuks olulisi kaudseid tõendeid, nimelt: energiakaod tihedates kahendsüsteemides, mis sisaldavad kompaktseid gravitatsiooniobjekte (nagu neutrontähed või mustad augud), eriti kuulsas PSR B1913+16 süsteemis (Hulse-Taylor). pulsar) - on hästi kooskõlas üldrelatiivsusteooria mudeliga, milles see energia viiakse ära just gravitatsioonikiirguse abil.

Gravitatsioonikiirgust saavad tekitada ainult muutuva kvadrupooluse või suurema mitmepooluselise momentiga süsteemid, see asjaolu viitab sellele, et enamuse gravitatsioonikiirgus looduslikud allikad suunaline, mis raskendab oluliselt selle tuvastamist. Gravitatsioonijõud n-välja allikas on võrdeline, kui multipoolus on elektrilist tüüpi, ja - kui multipoolus on magnettüüpi, kus v on kiirgussüsteemi allikate iseloomulik liikumiskiirus ja c- valguse kiirus. Seega on domineeriv hetk kvadrupoolmoment elektriline tüüp, ja vastava kiirguse võimsus on võrdne:

kus on kiirgava süsteemi massijaotuse kvadrupoolmomendi tensor. Konstant (1/W) võimaldab hinnata kiirgusvõimsuse suurusjärku.

Alates 1969. aastast (Weberi katsed ( Inglise)), püütakse gravitatsioonikiirgust otse tuvastada. USA-s, Euroopas ja Jaapanis töötab praegu mitu maapealset detektorit (LIGO, VIRGO, TAMA ( Inglise), GEO 600), aga ka LISA (Laser Interferometer Space Antenna) kosmosegravitatsioonidetektori projekt. aastal arendatakse Venemaal maapealset detektorit Teaduskeskus Tatarstani Vabariigi gravitatsioonilainete uurimine "Dulkyn".

Gravitatsiooni peen mõju

Ruumi kõveruse mõõtmine Maa orbiidil (kunstniku joonistus)

Lisaks klassikalistele gravitatsioonilise külgetõmbe ja aja dilatatsiooni mõjudele ennustab üldine relatiivsusteooria ka teiste gravitatsiooni ilmingute olemasolu, mis maapealsetes tingimustes on väga nõrgad ning nende tuvastamine ja katseline kontrollimine seetõttu väga keerulised. Kuni viimase ajani tundus nende raskuste ületamine eksperimenteerijatele üle jõu.

Eelkõige võib nende hulgas nimetada inertsiaalsete tugiraamide kaasahaaramist (või läätse-Thirringi efekti) ja gravitomagnetvälja. 2005. aastal viis NASA robot Gravity Probe B läbi enneolematu täppiskatse, et mõõta neid mõjusid Maa lähedal. Saadud andmete töötlemine toimus kuni 2011. aasta maini ja kinnitas inertsiaalsete referentssüsteemide geodeetilise pretsessiooni ja takistuse mõju olemasolu ja ulatust, kuigi algselt eeldatust mõnevõrra väiksema täpsusega.

Pärast intensiivset tööd mõõtmismüra analüüsimiseks ja eraldamiseks tehti missiooni lõplikud tulemused teatavaks NASA-TV pressikonverentsil 4. mail 2011 ja avaldati Physical Review Lettersis. Geodeetilise pretsessiooni mõõdetud väärtus oli −6601,8±18,3 millisekundit kaared aastas ja kaasahaaramise efekt - −37,2±7,2 millisekundit kaared aastas (võrrelge teoreetiliste väärtustega −6606,1 mas/aastas ja −39,2 mas/aastas).

Klassikalised gravitatsiooniteooriad

Vaata ka: Gravitatsiooniteooriad

Kuna gravitatsiooni kvantefektid on äärmiselt väikesed isegi kõige ekstreemsemates katse- ja vaatlustingimustes, pole nende kohta siiani usaldusväärseid vaatlusi. Teoreetilised hinnangud näitavad, et valdaval enamusel juhtudel võib piirduda gravitatsioonilise vastastikmõju klassikalise kirjeldusega.

On olemas kaasaegne kanooniline klassikaline gravitatsiooniteooria – üldrelatiivsusteooria ning palju selgitavaid hüpoteese ja erineva arenguastmega teooriaid, mis konkureerivad omavahel. Kõik need teooriad teevad väga sarnaseid ennustusi selle lähenduse piires, milles praegu katseteste tehakse. Järgnevalt on toodud mitu põhilist, kõige paremini välja töötatud või tuntud gravitatsiooniteooriat.

Üldrelatiivsusteooria

Üldrelatiivsusteooria (GTR) standardkäsitluses käsitletakse gravitatsiooni esialgu mitte kui jõu vastasmõju, vaid kui aegruumi kõveruse ilmingut. Seega tõlgendatakse üldrelatiivsusteoorias gravitatsiooni geomeetrilise efektina ja aegruumi käsitletakse mitteeukleidilise Riemannliku (täpsemalt pseudo-Riemanni) geomeetria raames. Gravitatsiooniväli (Newtoni gravitatsioonipotentsiaali üldistus), mida mõnikord nimetatakse ka gravitatsiooniväljaks, identifitseeritakse üldrelatiivsusteoorias tensor-meetrilise väljaga - neljamõõtmelise aegruumi meetrikaga ja gravitatsioonivälja tugevusega - mõõdikuga määratud aegruumi afiinne ühenduvus.

Üldrelatiivsusteooria standardülesanne on vaadeldavas neljamõõtmelises koordinaatsüsteemis teadaoleva energia-impulssi allikate jaotuse põhjal määrata meetrilise tensori komponendid, mis üheskoos määratlevad aegruumi geomeetrilised omadused. Mõõdiku tundmine võimaldab omakorda arvutada testosakeste liikumist, mis on samaväärne teadmisega gravitatsioonivälja omadustest antud süsteemis. Tulenevalt üldrelatiivsusteooria võrrandite tensoorsest olemusest ja selle formuleerimise standardsest põhimõttelisest põhjendusest arvatakse, et ka gravitatsioon on tensorlikku laadi. Üks tagajärg on see, et gravitatsioonikiirgus peab olema vähemalt neljapoolne.

On teada, et üldrelatiivsusteoorias on raskusi gravitatsioonivälja energia muutumatuse tõttu, kuna seda energiat ei kirjeldata tensoriga ja seda saab teoreetiliselt määrata erinevatel viisidel. Klassikalises üldrelatiivsusteoorias tekib ka spin-orbiidi vastastikmõju kirjeldamise probleem (kuna laiendatud objekti spinnil pole samuti üheselt mõistetavat definitsiooni). Arvatakse, et tulemuste ühetähenduslikkuse ja järjepidevuse põhjendatusega on teatud probleeme (gravitatsiooniliste singulaarsuste probleem).

Üldrelatiivsusteooria on aga eksperimentaalselt kinnitatud kuni viimase ajani (2012). Lisaks viivad paljud alternatiivsed lähenemisviisid Einsteini, kuid kaasaegse füüsika jaoks standardsete lähenemisviiside jaoks gravitatsiooniteooria sõnastamisele tulemuseni, mis langeb kokku üldrelatiivsusteooriaga madala energiaga lähenduses, mis on ainus, mis on nüüdseks eksperimentaalseks kontrollimiseks kättesaadav.

Einstein-Cartani teooria

Sarnane võrrandite jagunemine kahte klassi esineb ka RTG-s, kus võetakse kasutusele teine tensorvõrrand, et võtta arvesse seost mitteeukleidilise ruumi ja Minkowski ruumi vahel. Tänu mõõtmeteta parameetri olemasolule Jordani-Bransi-Dicke teoorias on võimalik seda valida nii, et teooria tulemused langevad kokku gravitatsioonikatsete tulemustega. Veelgi enam, kuna parameeter kaldub lõpmatusse, muutuvad teooria ennustused üldrelatiivsusteooriale üha lähemale, mistõttu on võimatu Jordani-Bransi-Dicke'i teooriat ümber lükata ühegi üldrelatiivsusteooriat kinnitava katsega.

Gravitatsiooni kvantteooria

Vaatamata enam kui poole sajandi pikkusele katsele on gravitatsioon ainus fundamentaalne interaktsioon, mille jaoks ei ole veel loodud üldtunnustatud järjepidevat kvantteooriat. Madala energia korral võib kvantväljateooria vaimus käsitleda gravitatsioonilist vastastikmõju gravitonide vahetusena – spin 2-gabariidiliste bosonite, kuid saadud teooria ei ole renormaliseeritav ja seetõttu peetakse seda mitterahuldavaks.

Viimastel aastakümnetel on gravitatsiooni kvantifitseerimise probleemi lahendamiseks välja töötatud kolm paljutõotavat lähenemisviisi: stringiteooria, ahela kvantgravitatsioon ja põhjuslik dünaamiline triangulatsioon.

Stringiteooria

Selles ilmuvad osakeste ja taustruumi-aja asemel stringid ja nende mitmemõõtmelised analoogid - braanid. Kõrgmõõtmeliste probleemide puhul on braanid suuremõõtmelised osakesed, kuid liikuvate osakeste seisukohast sees need braanid on aegruumi struktuurid. Stringiteooria variant on M-teooria.

Loop kvantgravitatsioon

See püüab sõnastada kvantvälja teooriat ilma aegruumi taustale viitamata, selle teooria kohaselt koosnevad ruum ja aeg diskreetsetest osadest. Need väikesed ruumikvantrakud on omavahel teatud viisil seotud, nii et väikesel aja- ja pikkuseskaalal loovad nad kirju, diskreetse ruumistruktuuri ning suures mastaabis muunduvad sujuvalt pidevaks sujuvaks aegruumiks. Kui paljud kosmoloogilised mudelid suudavad kirjeldada universumi käitumist alles Plancki ajast pärast Suurt Pauku, siis ahela kvantgravitatsioon võib kirjeldada plahvatusprotsessi ennast ja isegi vaadata kaugemale tagasi. Silmuskvantgravitatsioon võimaldab meil kirjeldada kõiki standardmudeli osakesi, ilma et oleks vaja nende masside selgitamiseks kasutusele võtta Higgsi bosonit.

Peamine artikkel: Põhjuslik dünaamiline triangulatsioon

Selles on aegruumi kollektor konstrueeritud elementaarsetest eukleidilistest simpleksitest (kolmnurk, tetraeeder, pentahoor), mille mõõtmed on Plancki suurusjärgus, võttes arvesse põhjuslikkuse põhimõtet. Ajaruumi neljamõõtmelisus ja pseudoeukleidilisus makroskoopilistel skaaladel ei ole selles postuleeritud, vaid on teooria tagajärg.

Vaata ka

Märkmed

Kirjandus

Vizgin V.P. Relativistlik gravitatsiooniteooria (päritolu ja teke, 1900-1915). - M.: Nauka, 1981. - 352c.
Vizgin V.P.Ühendatud teooriad kahekümnenda sajandi 1. kolmandikul. - M.: Nauka, 1985. - 304c.
Ivanenko D.D., Sardanašvili G.A. Gravitatsioon. 3. väljaanne - M.: URSS, 2008. - 200 lk.
Misner C., Thorne K., Wheeler J. Gravitatsioon. - M.: Mir, 1977.
Thorne K. Mustad augud ja ajakurrud. Einsteini julge pärand. - M.: Riiklik füüsikalise ja matemaatikakirjanduse kirjastus, 2009.

Lingid

Universaalse gravitatsiooni seadus ehk "Miks Kuu Maale ei kuku?" - Lihtsalt raskete asjade kohta
Probleemid gravitatsiooniga (BBC dokumentaalfilm, video)
Maa ja gravitatsioon; Relativistlik gravitatsiooniteooria (telesaade Gordon “Dialoogid”, video)

Gravitatsiooni teooriad

Standardsed gravitatsiooniteooriad

Alternatiivsed gravitatsiooniteooriad

Gravitatsiooni kvantteooriad

Ühendatud väljateooriad

Klassikaline füüsika

Üldrelatiivsusteooria
Üldrelatiivsusteooria matemaatiline sõnastus
Hamiltoni üldrelatiivsusteooria sõnastus

Põhimõtted

Geometrodünaamika ( Inglise)

Klassikaline

Relativistlik

Kõigi materiaalsete kehade vahel. Madalate kiiruste ja nõrga gravitatsioonilise vastastikmõju lähendamisel kirjeldab seda Newtoni gravitatsiooniteooria, üldjuhul kirjeldab seda Einsteini üldrelatiivsusteooria. Kvantpiiris kirjeldab gravitatsioonilist vastastikmõju väidetavalt gravitatsiooni kvantteooria, mida pole veel välja töötatud.

Entsüklopeediline YouTube

1 / 5

✪ Gravitatsiooni visualiseerimine

✪ TEADLASED ON MEID SÜNNIEST PETTANUD. 7 ärevat FAKTI GRAVITSIOONI KOHTA. NEWTONI JA FÜÜSIKUTE VALETUSTE AVALDAMINE

✪ Gravitatsioon

✪ 10 huvitavat fakti gravitatsiooni kohta

✪ Aleksander Chirtsov – Gravitatsioon: vaadete areng Newtonist Einsteinini

Subtiitrid

Gravitatsiooniline külgetõmme

Gravitatsiooniväli, nagu ka gravitatsiooniväli, on potentsiaalne. See tähendab, et saate sisestada paari kehade gravitatsioonilise külgetõmbe potentsiaalse energia ja see energia ei muutu pärast kehade liigutamist suletud ahelas. Gravitatsioonivälja potentsiaalsus eeldab kineetilise ja potentsiaalse energia summa jäävuse seadust ning kehade liikumist gravitatsiooniväljas uurides lihtsustab see sageli lahendust oluliselt. Newtoni mehaanika raames on gravitatsiooniline vastastikmõju pikamaa. See tähendab, et olenemata sellest, kuidas massiivne keha liigub, sõltub gravitatsioonipotentsiaal ükskõik millises ruumipunktis ainult keha asukohast antud ajahetkel.

Suured kosmoseobjektid - planeedid, tähed ja galaktikad on tohutu massiga ja loovad seetõttu olulisi gravitatsioonivälju.

Gravitatsioon on kõige nõrgem koostoime. Kuna see aga toimib kõikidel kaugustel ja kõik massid on positiivsed, on see Universumis siiski väga oluline jõud. Eelkõige on kosmilisel skaalal väike elektromagnetiline vastastikmõju kehade vahel, kuna nende kehade kogu elektrilaeng on null (aine tervikuna on elektriliselt neutraalne).

Samuti on gravitatsioon erinevalt teistest vastastikmõjudest universaalne oma mõjus kogu ainele ja energiale. Pole avastatud objekte, millel pole üldse gravitatsioonilist vastasmõju.

Gravitatsioon oli esimene matemaatilise teooria poolt kirjeldatud interaktsioon. Aristoteles (IV sajand eKr) uskus, et erineva massiga objektid langevad erineva kiirusega. Ja alles palju hiljem (1589) tegi Galileo Galilei eksperimentaalselt kindlaks, et see pole nii – kui õhutakistus kõrvaldada, kiirendavad kõik kehad võrdselt. Isaac Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus (1687) kirjeldas hästi üldist gravitatsiooni käitumist. 1915. aastal lõi Albert Einstein üldise relatiivsusteooria, mis kirjeldab gravitatsiooni täpsemalt aegruumi geomeetria kaudu.

Taevamehaanika ja mõned selle ülesanded

Taevamehaanika lihtsaim probleem on kahe punkt- või sfäärilise keha gravitatsiooniline vastastikmõju tühjas ruumis. See probleem klassikalise mehaanika raames lahendatakse analüütiliselt suletud kujul; selle lahenduse tulemus on sageli sõnastatud Kepleri kolme seaduse kujul.

Kui interakteeruvate kehade arv suureneb, muutub ülesanne oluliselt keerulisemaks. Seega ei saa juba kuulsat kolme keha probleemi (ehk kolme nullist erineva massiga keha liikumist) üldisel kujul analüütiliselt lahendada. Arvlahenduse korral tekib lahenduste ebastabiilsus algtingimuste suhtes üsna kiiresti. Päikesesüsteemi puhul ei võimalda see ebastabiilsus täpselt ennustada planeetide liikumist skaalal, mis ületab saja miljoni aasta.

Vaatamata katsetele täpselt kirjeldada suure hulga ligikaudu sama massiga ligitõmbavate kehade süsteemi käitumist, ei saa seda dünaamilise kaose nähtuse tõttu teha.

Tugevad gravitatsiooniväljad

Tugevates gravitatsiooniväljades, aga ka gravitatsiooniväljas relativistlikul kiirusel liikudes hakkavad ilmnema üldrelatiivsusteooria (GTR) mõjud:

aegruumi geomeetria muutmine;
- selle tagajärjel gravitatsiooniseaduse kõrvalekalle Newtoni omast;
- ja äärmuslikel juhtudel - mustade aukude tekkimine;
gravitatsioonihäirete lõpliku levimiskiirusega seotud potentsiaalide viivitus;
- selle tagajärjel gravitatsioonilainete ilmumine;
mittelineaarsuse efektid: gravitatsioon kipub suhtlema iseendaga, mistõttu superpositsiooni põhimõte tugevates väljades enam ei kehti.

Gravitatsiooniline kiirgus

Üldrelatiivsusteooria üheks oluliseks ennustuseks on gravitatsioonikiirgus, mille olemasolu kinnitasid 2015. aastal tehtud otsevaatlused. Kuid enne, kui selle olemasolu toetasid tugevad kaudsed tõendid, nimelt: energiakaod tihedates kahendsüsteemides, mis sisaldavad kompaktseid gravitatsiooniobjekte (nagu neutrontähed või mustad augud), eriti kuulsas süsteemis PSR B1913+16 (Hals pulsar). - Taylor) - on hästi kooskõlas üldrelatiivsusteooria mudeliga, milles see energia viiakse ära just gravitatsioonikiirguse abil.

Gravitatsioonikiirgust saavad tekitada ainult muutuva kvadrupooluse või suurema mitmepooluselise momendiga süsteemid; see asjaolu viitab sellele, et enamiku looduslike allikate gravitatsioonikiirgus on suunatud, mis raskendab oluliselt selle tuvastamist. Gravitatsioonijõud n-välja allikas on proportsionaalne (v / c) 2 n + 2 (\displaystyle (v/c)^(2n+2)), kui mitmikpoolus on elektrilist tüüpi ja (v / c) 2 n + 4 (\displaystyle (v/c)^ (2n+4))- kui multipoolus on magnetilist tüüpi, siis kus v on kiirgussüsteemi allikate iseloomulik liikumiskiirus ja c- valguse kiirus. Seega on domineerivaks momendiks elektritüüpi kvadrupoolmoment ja vastava kiirguse võimsus on võrdne:

L = 1 5 G c 5 ⟨ d 3 Q i j d t 3 d 3 Q i j d t 3 ⟩ , (\displaystyle L=(\frac (1)(5))(\frac (G)(c^(5)))\ vasak\langle (\frac (d^(3)Q_(ij))(dt^(3)))(\frac (d^(3)Q^(ij))(dt^(3)))\parem \ringle ,)

Kus Q i j (\displaystyle Q_(ij))- kiirgava süsteemi massijaotuse kvadrupoolmomenttensor. Püsiv G c 5 = 2,76 × 10 − 53 (\displaystyle (\frac (G)(c^(5)))=2,76\ korda 10^(-53))(1/W) võimaldab hinnata kiirgusvõimsuse suurusjärku.

Alates 1969. aastast (Weberi katsed (Inglise)), püütakse gravitatsioonikiirgust otse tuvastada. USA-s, Euroopas ja Jaapanis töötab praegu mitu maapealset detektorit (LIGO, VIRGO, TAMA (Inglise), GEO 600), samuti LISA (Laser Interferometer Space Antenna) kosmosegravitatsioonidetektori projekt. Tatarstani Vabariigis Dulkyni gravitatsioonilainete uurimise teaduskeskuses arendatakse Venemaal maapealset detektorit.

Gravitatsiooni peen mõju

Lisaks klassikalistele gravitatsioonilise külgetõmbe ja aja dilatatsiooni mõjudele ennustab üldine relatiivsusteooria ka teiste gravitatsiooni ilmingute olemasolu, mis maapealsetes tingimustes on väga nõrgad ja seetõttu on nende tuvastamine ja eksperimentaalne kontrollimine väga keeruline. Kuni viimase ajani tundus nende raskuste ületamine eksperimenteerijatele üle jõu.

Nende hulgas võib nimetada eelkõige inertsiaalsete võrdlusraamide takistust (või objektiivi-Thirringi efekti) ja gravitomagnetvälja. 2005. aastal viis NASA mehitamata Gravity Probe B läbi enneolematu täppiskatse, et mõõta neid mõjusid Maa lähedal. Saadud andmete töötlemine toimus kuni 2011. aasta maini ja kinnitas inertsiaalsete referentssüsteemide geodeetilise pretsessiooni ja takistuse mõju olemasolu ja ulatust, kuigi algselt eeldatust mõnevõrra väiksema täpsusega.

Klassikalised gravitatsiooniteooriad

Kuna gravitatsiooni kvantefektid on ka kõige ekstreemsemates ja vaatlustingimustes äärmiselt väikesed, pole nende kohta siiani usaldusväärseid vaatlusi. Teoreetilised hinnangud näitavad, et valdaval enamusel juhtudel võib piirduda gravitatsioonilise vastastikmõju klassikalise kirjeldusega.

Üldrelatiivsusteooria

Einstein-Cartani teooria

Gravitatsiooni kvantteooria

Vaatamata enam kui poole sajandi pikkusele katsele on gravitatsioon ainus fundamentaalne interaktsioon, mille jaoks ei ole veel loodud üldtunnustatud järjepidevat kvantteooriat. Madalatel energiatel võib kvantväljateooria vaimus gravitatsioonilist vastastikmõju kujutada gravitonide – spin-2-gabariidiliste bosonite – vahetusena.Saadud teooria on aga mitterenormaliseeritav ja seetõttu peetakse seda mitterahuldavaks.

Viimastel aastakümnetel on gravitatsiooni kvantimise probleemi lahendamiseks välja töötatud mitmeid paljutõotavaid lähenemisviise: stringiteooria, ahela kvantgravitatsioon ja teised.

Stringiteooria

Selles ilmuvad osakeste ja taust-aegruumi asemel stringid ja nende mitmemõõtmelised analoogid -

Sõna "gravitatsioon" tuli meile alates ladina keel tõlkes tähendab see "raskust". Isegi kui te ei tea, mis on gravitatsioon, võite olla kindel, et kogete seda iga päev, isegi praegu.

Proovime seda terminit mõista.

Mõiste tähendus

Gravitatsioon või nagu seda nimetatakse ka külgetõmbeks või gravitatsiooniks, tähendab täielikku vastasmõju kõigi maakera materiaalsete kehade vahel. Seda ainulaadset nähtust on kirjeldanud paljud teadlased. Näiteks erilist tähelepanu see küsimus Isaac Newton andis. Ta lõi isegi teooria, mida tänapäeval nimetatakse Newtoni gravitatsiooniteooriaks.

Selles märkis Newton, et gravitatsiooni seostatakse gravitatsioonijõuga. Essents see nähtus Newton selgitas seda: kehale rakendatakse gravitatsioonijõudu, mille allikaks on teine keha. Newton tegi oma gravitatsiooniseaduses kindlaks, et kõik kehad mõjutavad üksteist jõuga, mis on otseselt võrdeline nende kehade masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.

Huvitav on see, et olenemata keha suurusest võib see luua gravitatsioonivälja. Näiteks kosmoses olevad objektid, nagu galaktikad, tähed ja planeedid, võivad tekitada üsna suuri gravitatsioonivälju.

Gravitatsioon mõjutab kõiki universumi objekte. Tänu sellele tekivad sellised suured mõjud nagu Universumi skaala laienemine, mustade aukude teke ja tegevus ning galaktikate ehitus.

Muud teooriad

Gravitatsiooni nähtust kirjeldas matemaatilisel kujul Aristoteles. Ta uskus, et kehade langemise kiirust mõjutab nende mass. Mida rohkem objekt kaalub, seda kiiremini see kukub. Alles sadu aastaid hiljem tõestas Galileo Galilei katsetega, et see teooria oli vale. Kui õhutakistus puudub, kiirendavad kõik kehad võrdselt.

20. sajandi alguses hakkas gravitatsioonist rääkima nüüdseks tuntud Albert Einstein. Ta lõi üldise relatiivsusteooria, mis hakkas gravitatsiooninähtust täpsemalt kirjeldama. Einstein selgitas, et gravitatsiooni mõjud on tingitud aegruumi deformatsioonist, mis on seotud massiaja olemasoluga. See teooria on praegu kõige õigem, see on eksperimentaalselt tõestatud.