Силы в природе. Гравитационное взаимодействие. Закон всемирного тяготения

   Много ли различных сил существует в природе?
На земле и вне ее существует огромное количество различных тел. Все они взаимодействуют по-разному. Так, например, яблоко с дерева падает на Землю; человек толкает тележку; нога человека бьет по мячу; эбонитовая палочка, которую потерли о мех, притягивает к себе легкие бумажки; магнит собирает вокруг себя железные опилки; проводник с током вращает стрелку компаса; Луна совершает вращательное движение вокруг Земли, а вместе они вращаются вокруг Солнца; взаимодействуют также звезды и звездные системы. Этот ряд примеров можно продолжать бесконечно долго. Означает ли это, что в природе существует бесконечное количество сил? Вовсе нет!
  В безграничных просторах Вселенной, на нашей планете и на любой другой, в любом веществе, в каждом живом организме, в атомах, в атомных ядрах и в мире элементарных частиц при взаимодействиях различных тел существуют четыре вида сил:
гравитационные, электромагнитные, ядерные (сильные) и слабые.

   Силы гравитации, или иными словами силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами - все они притягиваются друг с другом. Но это притяжение может быть заметно только  лишь тогда, когда хотя бы одно из этих тел так велико, как, например, Земля или Луна. Иначе эти силы настолько малы, что ими можно пренебрегать.
Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами. Их действие очень разнообразно. В атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Велика их роль в атомах.

Ядерные силы заметны лишь внутри атомных ядер, они действуют только на очень малых расстояниях – в десятки раз меньших размеров атома. 
Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях. Они вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
   Ядерные силы - самые мощные в природе. В сотни раз меньше интенсивность электромагнитных сил, еще менее интенсивны слабые взаимодействия. Наименее мощные гравитационные силы.  
   Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют свой смысл.         В разделе механики мы рассмотрим только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.
В механике обычно имеют дело с тремя видами сил: силами тяготения, силами упругости и силами трения. Силы упругости и трения имеют электромагнитную природу. 
Силы тяготения. Земной шар сообщает всем телам у поверхности Земли одно и то же ускорение - ускорение свободного падения. Но если земной шар сообщает телу ускорение, то согласно второму закону Ньютона он действует на тело с некоторой силой. Эту силу называют силой тяжести. 
  Из второго закона Ньютона, ускорение по модулю равно отношению силы, действующей на тело, к массе тела. 
Так как ускорение свободного падения не зависит от массы, то ясно, что сила тяжести должна быть равна произведению массы тела и ускорения свободного падения - постоянная для всех тел величина.
Подставляя это выражение для силы тяжести во второй закон
Ньютона, получаем, что для всех тел ускорение равно ускорению свободного падения. 
       Ньютон был первым человеком, который доказал, что причина падения дождевой капли на Землю, движение Луны и искусственных спутников вокруг Земли и планет вокруг звезд одна и та же. Это сила тяготения, которая действует между всеми телами во Вселенной.
   Ньютон рассуждал так, что брошенный на Землю камень отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше. Продолжив свои рассуждения, Ньютон пришел к выводу, что только благодаря сопротивлению воздуха траектория камня, который был брошен с некоторой высоты с определенной начальной скоростью, обязательно становится такой, что камень падает на поверхность Земли. Иначе, камень мог бы двигаться вокруг нее подобно планетам и спутникам. Ньютон считал, что движение Луны вокруг Земли или движение всех планет вокруг Солнца является тоже свободным падением, которое будет продолжаться бесконечно долго.  Причиной такого падения может служить только лишь сила тяготения.
Как и любым другим телам, Земля должна сообщать Луне ускорение, которое не зависит от массы Луны. Траектория движения Луны достаточно хорошо известна, иными словами мы можем легко определить местоположение Луны относительно Земли в любой момент времени. Используя эти данные, можно определить ее ускорение. Оно оказывается примерно в 3600 или 60 в квадрате раз меньше, чем ускорение свободного падения у поверхности Земли. Расстояние до Луны приблизительно равно 60 земным радиусам. Отсюда нетрудно сделать вывод: ускорение, которое сообщает телам сила притяжения к Земле, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли. Где c1 - некоторый коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех тел.

     Ученые, исследуя движения планет, пришли к выводу, что это движение вызвано силой притяжения к Солнцу. Используя длительные кропотливые наблюдения датского астронома ТИхо БрАге, ИОганн КЕплер установил кинематические законы движения планет. Используя эти законы, Ньютон определил, что Солнце сообщает всем планетам ускорение, обратно пропорциональное квадрату расстояния от них до Солнца.
   Постоянный коэффициент c2 одинаков для любой планеты, но не совпадает с постоянным коэффициентом c1 для ускорения, который сообщается телам земным шаром.
   Из этого следует, что сила тяготения в обоих случаях сообщает всем телам ускорение, которое не зависит от массы этих тел, и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
   Учитывая тот факт, что сила всемирного тяготения сообщает всем телам одно и то же ускорение вне зависимости от их массы, то она должна быть пропорциональна массе тела, на которое она оказывает воздействие.   Но поскольку некоторое тело, к примеру, Земля действует на свой спутник с силой, пропорциональной массе спутника, то и сам спутник по третьему закону Ньютона должен действовать на Землю с той же силой. Причем эта сила должна быть пропорциональна массе Земли. Если сила тяготения является действительно универсальной, то со стороны данного тела на любое другое тело должна действовать сила, пропорциональная массе этого другого тела. Отсюда следует, что сила всемирного тяготения должна быть пропорциональна произведению масс тел, которые взаимодействуют друг с другом. Из этого вытекает формулировка закона всемирного тяготения:  Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности
 G в формуле закона всемирного тяготения является гравитационной постоянной.

  Впервые гравитационную постоянную удалось измерить английскому физику Генри Кавендишу в 1798 г.   Он получил следующее значение для гравитационной постоянной: 6,67 на десять в минус одиннадцатой степени метров квадратных на килограмм в квадрате.

Ускорение свободного падения тел зависит от географической широты. Одной из причин увеличения ускорения свободного падения при перемещении точки, где находится тело, от экватора к полюсам, является то, что земной шар немного сплюснут у полюсов и расстояние до центра Земли в этом месте несколько меньше, чем на экваторе. Еще одной важной причиной этого явления есть вращение самой Земли. 
        Самым необычным свойством гравитационных сил является то, что они сообщают всем телам, совершенно не завися от их масс, одинаковое ускорение. Чтобы лучше осознать это, представьте, что человек, ударяя ногой по футбольному мячу, придает ему такое же ускорение, что и тяжелой гире, которую он также ударит ногой. Разумеется, это невозможно.  Земля является именно таким «необыкновенным человеком» с небольшой разницей, которая заключается в том, что действие ее на тела не носит характера кратковременного удара, а продолжается непрерывно в течение многих лет.
      Это необычное свойство гравитационных сил объясняется тем, что эти силы пропорциональны массам обоих взаимодействующих тел. Этот факт обязательно вызовет удивление, если над ним хорошо задуматься. Ведь масса тела, входящая во второй закон Ньютона, определяет инертные свойства тела, иными словами его способность приобретать определенное ускорение под действием данной силы. Эту массу естественно назвать инертной массой.
Массу, которая определяет способность тел притягиваться друг к другу, называют гравитационной массой.
Из механики Ньютона вовсе не следует, что инертная и гравитационная массы это одно и то же. Это равенство подтверждается благодаря опыту. Оно означает, что можно говорить просто о массе тела как о количественной мере как инертных, так и гравитационных его свойств.
   Закон всемирного тяготения является одним из наиболее универсальных законов природы. Он справедлив для любых тел, которые обладают массой.