Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6: Вивчення гравітації

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    77814

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Гравітація - одна з найбільш фундаментальних і найзагадковіших сил у нашому Всесвіті. В астрономії є прислів'я, що «Гравітація контролює все». Гравітація була вперше досліджена математично і науково Галілеєм на початку 1600-х рр., Саме Галілей вперше зрозумів, що гравітація діє на всі речі однаково і що все падає з однаковою швидкістю незалежно від його маси. Галілей також досліджував гравітацію за допомогою пандусів і маятників - те, що навіть наймолодші учні можуть випробувати і почати розуміти в школі сьогодні.

    Функція гравітації на Сонячній системі була значною мірою невідома, поки Ісаак Ньютон не запропонував свою теорію всесвітнього тяжіння в 1665 році. Теорія Ньютона говорить, що всі речі мають гравітацію і притягують один одного в просторі. Тому, поки гравітація Землі приваблює вас і тримає вас на поверхні, ваша гравітація також приваблює Землю! Ньютон також математично довів, що гравітаційна сила контролює всі орбіти нашої Сонячної системи - як планет, що обертаються навколо Сонця, так і орбіти або супутники навколо різних планет. Насправді саме падаюче яблуко змусило Ньютона довести, що Місяць дійсно падає на своїй орбіті навколо Землі. Ньютон використав свої ідеї, щоб запропонувати, що штучні супутники були фактично можливими за 300 років до того, як хтось фактично запустив один з них на орбіту Землі.

    Концепція того, що гравітація насправді залишилася таємничою, поки Альберт Ейнштейн не з'ясував це в своїй теорії відносності, яка була розроблена між 1905 і 1915 роками. Ейнштейн стверджував, що простір і час насправді є однією єдиною річчю, яка називається spaceTime. За словами Ейнштейна, саме кривизна цього просторучасу дійсно створює гравітаційну силу, яка виробляє ефекти, вивчені Ньютоном і Галілеєм. Хоча теорія Ейнштейна далеко за межами більшості з нас математично кажучи, молодим студентам цілком можливо побудувати прості Ейнштейнські моделі та досліджувати поняття простору-часу та гравітації в класі!

    У цьому підрозділі діяльність, яку ми намагаємося, буде організована історично; тобто ми спочатку спробуємо деякі ідеї Галілея, потім досліджуємо Ньютона і, нарешті, Ейнштейна. Що? Ви не думали, що можете навчити дітей початкової школи науці 21 століття!? Так, можна ! Давайте приступимо!

    • 6.1: Галілео досліджує гравітацію за допомогою маятників
      Легенда свідчить, що молодий Галілей одного разу спостерігав за розгойдуванням кадильниці в церкві і зазначив, що пальники пахощів продовжували коливатися в часі один з одним до тих пір, поки ланцюги, які їх тримали, були однакової довжини. Галілей сконструював власні маятники і продовжував експериментувати з ними більшу частину свого життя. Як і Галілео, у нас є багато чому навчитися з хитання ваги на кінці довжини рядки!
    • 6.2: Маятник Гука
      Коли Ньютон опублікував свою теорію гравітації в книзі Principia Mathematica, він боровся і не зміг розробити просту і переконливу демонстрацію математичної концепції, що для створення орбіти потрібна лише сила, що шукає центр (гравітація) і пряма лінія руху маси (імпульсу). Простий маятниковий експеримент Роберта Гука досяг цього і вважався великим тріумфом.
    • 6.3: Падаючі тіла Галілея
      Наукова модель Аристотеля стверджувала, що речі впали на Землю, тому що «хотіли досягти свого природного місця», і що чим важчий об'єкт, тим швидше він впаде. Слава Аристотеля була такою, що ніхто серйозно не оскаржував його твердження понад 2000 років. Експеримент Галілея показує нам корисність збору точних даних спостережень та порівняння їх із прогнозами наукових моделей. Це той самий механізм, за допомогою якого наука виправляє власні помилки.
    • 6.4: Рампа прискорення Паккарда
      Теорія гравітації Ньютона не менш складна і тонка, ніж концепція кривизни просторучасу і концепція гравітації Ейнштейна, але ми відчуваємо себе комфортно з нею через довгу асоціацію. Гравітаційна модель Ейнштейна також потужна і математично тонка, але, як і ідеї гравітації Ньютона, ми можемо продемонструвати її просто за допомогою моделі класу, яку студенти можуть зрозуміти когнітивно, не турбуючи їх (або вас!) з вищою математикою предмета.