4. Тяготение тел к Земле
Почему отвалившийся от скалы камень, подстреленная на лету птица или оторвавшееся от ветки яблоко падают? Над этим вопросом задумывались многие мыслители древности, тщетно ища на него ответа.
Один из виднейших учёных древности — Аристотель — так ответил на этот вопрос: тела падают, потому что они тяжелы. Но в таком случае, в чём же причина тяжести, заставляющей их падать?
Это удалось узнать, изучая движение небесных тел в пространстве.
Все тела в мировом пространстве — звёзды, планеты, метеориты — движутся. При этом все они тяготеют друг к другу. Это всеобщий закон природы.
Если бы этого не было, они двигались бы всегда по прямолинейным путям, потому что все тела стремятся сохранить прямолинейное движение. Так, при резком неожиданном повороте скачущей лошади седок вылетает из седла вперёд, так как его тело стремится сохранить первоначальное направление движения.
Стремление каждого тела сохранить прямолинейное направление и скорость своего движения называется инерцией.
Мы уже говорили, кáк натягивает вращаемая гирька шнурок вследствие центробежной силы. Эта центробежная сила — не что иное, как сопротивление тела изменению направления его прямолинейного движения, то-есть сопротивление инерции. Если бы шнурок оборвался, то гирька вследствие инерции полетела бы по прямой линии, касательной к описываемой ею окружности в той точке, в которой она находилась в момент обрыва шнурка.
Подобным же образом удерживаются на своих путях и планеты. Только вместо шнурка их «привязывает» к Солнцу сила тяготения.
Солнце также притягивается планетами, но сила притяжения его каждой отдельной планетой во столько раз меньше силы притяжения Солнцем, во сколько масса этой планеты меньше массы Солнца.
Каждая планета солнечной системы стремится двигаться в пространстве по инерции прямолинейно, но притяжение Солнца непрерывно отклоняет её от этого пути. Поэтому направление её движения постоянно искривляется, и планета перемещается по более или менее правильному кругу.
Эта идея была высказана в XVII веке английским учёным Гуком. Но он не развил эту мысль, не вывел законов движения планет. Создать теорию движения космических тел удалось только Ньютону.
Ньютон предположил, что сила тяготения между Солнцем и планетами изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, то-есть при уменьшении расстояния в 2 раза, сила тяготения увеличивается в 4 раза и, наоборот, при увеличении расстояния, например, в 3 раза, — уменьшается в 9 раз.
Сделав такое предположение, учёный сумел объяснить движение Луны вокруг Земли и всех планет вокруг Солнца, вычислить, по каким путям, с какой скоростью и в какие периоды времени они должны обращаться вокруг своего центрального тела. Расчёты были подтверждены данными, полученными путём наблюдений.
После этого уже нельзя было сомневаться в том, что всемирное тяготение действительно существует и управляет движением небесных тел.
А не действует ли сила тяготения и на земной поверхности? — задался вопросом Ньютон. Может быть всемирное тяготение и сила тяжести — одно и то же?
Но если это так, то сила тяжести должна подчиняться тому же закону, что и всемирное тяготение, то-есть изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния.
Это можно было проверить по движению Луны: если Луна движется под действием тяжести, то она должна «падать» к Земле, как, например, пушечное ядро после выстрела из орудия.
Учёные доказали, что выброшенное из пушки в горизонтальном направлении ядро в первую же секунду вследствие падения отклонится от него на 4,9 метра, или 4900 миллиметров. В следующую секунду оно отклонится от нового направления опять на 4,9 метра и так далее.
Луна находится в 60 раз дальше от центра Земли, чем ядро на земной поверхности. Поэтому сила тяжести на расстоянии Луны в 602, или 3600 раз, меньше, чем на Земле.
Если бы из пушки, удалённой от Земли на расстояние Луны, выстрелить в том направлении, в каком движется Луна, то ядро отклонялось бы в 3600 раз меньше, то-есть на 4900/3600 = 1,36 миллиметра.
Так именно и движется Луна по своей орбите, отклоняясь от прямолинейного направления, касательного к её орбите, на 1,36 миллиметра в каждую секунду. Но движением Луны управляет всемирное тяготение, а ядром — сила тяжести. Значит, всемирное тяготение и сила тяжести — одно и то же.
Если бы Земля была правильным шаром равномерной плотности и не вращалась, то сила тяжести в любой точке сё поверхности была бы одинакова.
Но, как показали наблюдения, сила эта меняется от места к месту, хотя и очень слабо.
Со времени этого открытия изучение силы тяжести стало одной из важнейших задач науки о Земле.
5. Измерение силы тяжести
Взвесив с помощью чрезвычайно чувствительных пружинных весов гирю в 100 граммов на высокой горе, мы увидели бы, что там она стала весить немного меньше, чем весила у её подножия.
Силу тяжести изучают по движению падающего тела. В механике силой называют действие одного тела на другое, изменяющее состояние тела. Пока на тело действует сила, которая привела его в движение, скорость тела постоянно увеличивается. Прирост скорости в каждую секунду называется ускорением.
Непрерывное действие силы тяжести на падающее тело можно сравнить с толчками, очень быстро следующими один за другим. Под действием таких «толчков» падающее тело в каждую секунду увеличивает скорость своего падения. Во вторую секунду падающее тело проходит большее расстояние, чем в первую. В третью — большее, чем во вторую, и так далее. Это увеличение скорости называется ускорением свободного падения. Его можно определить, измеряя скорость падающего тела в первую, вторую и последующие секунды. Но скорость движения падающих тел очень велика, и до XVI века учёные не могли её измерить.
Между тем знание законов падения тел очень важно, например для расчёта дальности полёта снарядов. Ведь вылетевший из пушки горизонтально или наклонно вверх снаряд во время полёта непрерывно падает (рис. 4). Не зная, как падают тела, каково ускорение падения, нельзя рассчитать и расстояния, которое пролетит снаряд.
Впервые опыты по изучению падения тел проделал в конце XVI века Галилей. В итальянском городе Пизе, где он жил, стояла высокая наклонная башня. С неё особенно удобно было сбрасывать тяжёлые предметы.
И вот молодой учёный стал делать опыты. Он сталкивал с площадки башни чугунные ядра разного веса либо сбрасывал оттуда кирпич или два кирпича, связанные вместе.
Все эти тела достигали Земли одновременно.
До опытов Галилея все учёные были уверены, что чем тяжелее тело, тем оно падает быстрее.
