какой падающий объект вдохновил исаака ньютона на открытие закона тяготения ответ
Какой падающий объект вдохновил исаака ньютона на открытие закона тяготения ответ
Сэр Исаак Ньютон на склоне своих лет рассказал о том, как он открыл закон всемирного тяготения.
Когда молодой Исаак гулял в саду среди яблонь в поместье своих родителей, он увидел луну в дневном небе. И рядом с ним упало яблоко на землю, сорвавшись с ветки.
Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. И знал, что Луна не просто находится на небе, а вращается вокруг Земли по орбите, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Вот тут и пришла ему идея о том, что, возможно, одна и та же сила заставляет яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите.
До Ньютона ученые считали, что имеются два типа гравитации: земная гравитация (действующая на Земле) и небесная гравитация (действующая на небесах). Такое представление прочно закрепилось в сознании людей того времени.
Прозрение Ньютона заключалось в том, что он объединил эти два типа гравитации в своем сознании. С этого исторического момента искусственное и ложное разделение Земли и остальной Вселенной прекратило свое существование.
Так и был открыт закон всемирного тяготения, который является одним из универсальных законов природы. Согласно закону, все материальные тела притягивают друг друга, причём величина силы тяготения не зависит от химических и физических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела. Тяготение на Земле проявляется, прежде всего, в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землёй. С этим связан термин «гравитация» (от лат. gravitas — тяжесть), эквивалентный термину «тяготение».
Закон тяготения гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее о ней размышляли Гюйгенс, Роберваль, Декарт, Борелли, Кеплер, Гассенди, Эпикур и другие.
По предположению Кеплера, тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире.
Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния, но до Ньютона никто так и не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).
В своём основном труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах Кеплера, известных к тому времени.
Он показал, что:
В отличие от гипотез предшественников, теория Ньютона имела ряд существенных отличий. Сэр Исаак опубликовал не только предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель:
В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики.
Но Исаак Ньютон оставил открытым вопрос о природе тяготения. Не было объяснено также и предположение о мгновенном распространении тяготения в пространстве (т. е. предположение о том, что с изменением положений тел мгновенно изменяется и сила тяготения между ними), тесно связанное с природой тяготения. На протяжении более двухсот лет после Ньютона физики предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской теории тяготения. Только в 1915 году эти усилия увенчались успехом созданием общей теории относительности Эйнштейна, в которой все указанные трудности были преодолены.
История открытия и применение закона всемирного тяготения
История открытия закона всемирного тяготения уходит далеко в прошлое и связана со множеством великих умов. Среди них Николай Коперник, родившийся почти за 200 лет до того, как закон был сформулирован более точно. Постулат окружён множеством слухов и легенд, начиная с яблока, которое изменило представление о физике того времени, и заканчивая известным соперничеством Ньютона и Роберта Гука, ставивших себя на первое место при ответе на вопрос, кто открыл закон всемирного тяготения.
Сейчас доподлинно неизвестно, что из рассказанного соответствует истине, но некоторые события и факты из задокументированных источников не нуждаются в подтверждении и представляют собой вехи развития знания людей о явлении гравитации.
Как Ньютон открыл закон всемирного тяготения
Говоря о законах классической механики, всегда упоминают сэра Исаака Ньютона. Учёный перевернул виденье своих современников об окружающем их мире и, что самое главное, математически обосновал свои предположения, которые долгие годы после смерти физика не нуждались в доработке.
С его именем связан один из постулатов современной физики, ставший в своё время объектом для множества научных дискуссий, – закон всемирного тяготения, который Ньютон открыл в 1688 году и опубликовал вместе со знаменитыми тремя законами механики, образовавшими фундамент развития науки о движении.
Наверное, каждому знакома история открытия закона всемирного тяготения, согласно которой знаменитый физик впервые задумался о явлении тяготения в тот момент, когда, гуляя по саду своей матери, увидел падение яблока. Многие уверены, что этот фрукт и вовсе упал учёному на голову, таким образом «достучавшись» до его ума. Правда это или нет, сегодня судить трудно. Быть может, этой интересной историей кто-то когда-то решил простым образом донести до ребёнка суть столь важного закона. Важно другое: несмотря на то, что до Ньютона многие учёные по-своему объясняли всемирное притяжение, именно ему удалось с присущей математике строгостью и простотой объяснить это явление.
Закон тяготения не был бы настолько привлекательным, если бы описывал только то, как тела падают на землю. В легенде его открытия существует важное уточнение о том, что Ньютон ещё в 1666 году размышлял о движении объектов, в частности Луны. Уже тогда зная, что спутник вращается вокруг Земли, учёный пытался понять причины такого поведения и увидел, как яблоко сорвалось с ветки и приземлилось рядом.
Это и послужило причиной возникновения предположения, что именно воздействие Земли вынуждает тела не зависать без поддержки в воздухе, а Луну двигаться по наблюдаемой траектории. Однако доказать это сразу не удалось: проведя все расчёты, сэр Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, но из-за несправедливого в тот момент расстояния между спутником и нашей планетой получил слишком большую погрешность, что при его щепетильном характере оказалось неприемлемым. Только спустя 22 года с новыми, более точными цифрами, учёный представил общественности свой закон.
История открытия закона всемирного тяготения
О земном притяжении задумывались ещё в Древней Греции, но большинство предложенных теорий были далеки от действительности. Сам Исаак Ньютон в своей переписке с Эдмундом Галлеем обозначал своими предшественниками французского астронома Исмаэля Буйо (Буллиальда), английского математика Кристофера Рене и английского учёного, проявившего себя не в одной науке, Роберта Гука.
«Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов», – так сказал однажды Ньютон в частном письме Гуку, и, если связать эту цитату именно с открытием закона всемирного тяготения, то не согласиться со скромностью учёного не удастся. Его догадкам действительно поспособствовали великие умы истории.
Система Коперника
История открытия закона всемирного тяготения начинается с польского астронома Николая Коперника и его труда «О вращении небесных сфер», в котором он предложил революционную для XVI века теорию, а именно гелиоцентрическую систему мира (планеты вращаются вокруг солнца).
До 1543 года общепризнанной и неоспоримой полагалась геоцентрическая модель (все планеты и солнце вращаются вокруг земли), сформулированная Птолемеем ещё во II веке, но после того, как книга Коперника была опубликована, научное мировоззрение общества потребовало существенных изменений.
О самом тяготении в сочинении астронома не было речи, но закон Ньютона затрагивает не только Землю, но и Солнечную систему. Поэтому для правильной постановки задачи, посвящённой раскрытию механизма Вселенной (чем, если говорить кратко, занимается физика как наука), важно понимать, что наша планета не является центром мироздания, что и доказал Николай Коперник.
Первые догадки Уильяма Гильберта
Имя Уильяма Гильберта особенно известно в области, изучающей электрические и магнитные явления, что, впрочем, смогло помочь ему прославиться и в механике. Гильберт был одним из первых учёных, кто согласился с Коперником и его картиной мира, но предшественником Ньютона его делает тот факт, что именно Гильберт первым высказал догадку о природе гравитации Земли и Луны.
В посмертной работе физика, изданной в 1603 году, указано предположение учёного, что наша планета и её спутник являются огромными магнитами и поэтому притягиваются друг к другу. Причём в труде указано, что магнитная сила Земли больше из-за разности масс. Такая смелая догадка в общем смысле оказалась справедливой, однако природу взаимодействия Гильберт высказал неверно: он полагал, что движение планет происходит за счёт действия магнетизма.
Три закона Кеплера в открытии закона всемирного тяготения
Первыми эмпирическими соотношениями, приблизившими открытие закона всемирного тяготения, стали законы Кеплера, первые два из которых датированы 1609 годом, а третий – 1618.
Учитель Иоганна Кеплера датский алхимик и астроном Тихо Браге первым провёл точные астрономические наблюдения за движением планет, на основании которых составил таблицу, состоявшую из координат. Получив данное наследие, Кеплер понял, что планеты движутся с определённой закономерностью, и вывел три закона, описывающих идеализированную гелиоцентрическую картину мира.
Первый закон Кеплера утверждает, что все планеты Солнечной системы обращаются вокруг звезды по эллипсу, и одним из фокусов этого эллипса является Солнце.
Второй закон Кеплера гласит, что плоскость движения планет проходит через Солнце и, если засечь одинаковые промежутки времени и провести радиусы от звезды до планеты, они будут занимать одинаковые по величине площади.
Третий закон Кеплера носит математический характер и записывается соотношением:
где T1,2 – периоды обращения двух планет вокруг Солнца,
a1,2 – длины больших полуосей орбит этих планет.
Особенность закономерностей Кеплера заключается в том, что уже за полвека до Ньютона он выделил Солнцу главенствующую роль при движении планет, однако теоретически обосновать свой вывод не смог. После первопричину его законов нашёл Ньютон.
Законы падения тел Галилео Галилея (Закон инерции)
Наряду с работой Кеплера эксперименты Галилея по падению тел также подготавливали для Ньютона почву для будущего открытия.
В XVI веке утверждение древнегреческого философа Аристотеля, что тело будет падать со скоростью, пропорциональной его массе, твёрдо установилось в умах людей. Будучи несогласным с этим мнением, Галилей провёл ряд опытов, среди которых выделяется один, не подтверждённый в трудах самого учёного, но обросший известной легендой. Согласно этой истории, итальянский физик сбросил с Пизанской башни два шара различной массы и установил, что они приземлились практически одновременно. Таким образом, теория Аристотеля была опровергнута, а в 1638 году в труде «Беседы и математические доказательства двух новых наук» Галилей сформулировал законы падения, согласно которым скорость увеличивается с увеличением времени, а путь нарастает пропорционально квадрату времени.
Помимо этого, учёный ввёл новое понятие (которое сегодня называют инерцией), показав, что тело будет покоиться или двигаться равномерно, если на него не воздействуют внешние силы. Через полвека после формулировки этого правила Галилеем Ньютон повторит его в качестве первого закона механики.
Доказательства Роберта Гука
Роберт Гук был учёным, открывшим множество явлений в разных областях физики, химии и биологии. Однако его современники часто вспоминали его как завистливого и склочного человека из-за импульсивного характера и споров об авторстве с другими учёными. Закон всемирного тяготения также стал камнем преткновения для Гука, и в момент его открытия физик заявил, что сформулировал это правило задолго до Ньютона. Частично это правда.
В 1674 году в опубликованном Гуком трактате «Попытка доказательства движения Земли» в краткой и неопределённой форме, но всё же выражается идея об универсальной силе тяжести. В письме Ньютону, датированном 6 января 1680 года, учёный привёл формулировку закона, уже более привычную для человечества сейчас, и приложил математические расчёты, справедливые для движения по круговым орбитам. Гук попросил Ньютона как человека, более сведущего в математике, заняться обоснованием закона для эллиптических орбит. Именно с этого письма началась документальная история открытия закона всемирного тяготения.
Эдмунд Галлей и его выводы из закона Кеплера
В 1684 году английский астроном Эдмунд Галлей математически доказал обратную пропорциональность силы тяжести и квадрата расстояния, выведя зависимость из третьего закона Кеплера.
Таким образом, всё было готово для точной формулировки теории тяготения Ньютона и её полного математического обоснования.
Решение задачи Исааком Ньютоном
Чтобы вывести окончательный вариант закона всемирного тяготения, Ньютон описал движение Луны вокруг Земли, оперируя радиусами планеты и спутника, а также расстоянием между ними. Важную роль при формировании математической модели играли второй и третий законы механики, к тому времени уже вычисленные Ньютоном.
Интересный факт: гравитационная постоянная G, которая присутствует в современной формуле закона притяжения, не была явно вставлена учёным в выведенный им закон. Более того, она отсутствовала в трудах физиков до XIX века.
Определение значения гравитационной постоянной
В 1798 году Генри Кавендиш при помощи крутильных весов, созданных Шарлем Кулоном, провёл эксперимент, пытаясь вычислить среднюю плотность Земли. Его установка представляла собой коромысло с двумя небольшими шарами на концах, к которым в ходе опыта подводили по шару большего размера. Из-за гравитационного воздействия между телами коромысло установки отклонялось на некоторый угол, что фиксировалось оптическими приборами. Это значение и величина упругости нити, держащей коромысло, позволили определить силу притяжения между шарами, а после и коэффициент пропорциональности, до этого момента неизвестный.
Вычисление коэффициента пропорциональности стало одним из многочисленных применений закона тяготения.
Краткая биография великого английского учёного Исаака Ньютона
Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года. Так как отец мальчика, в честь которого он и был назван, погиб до его рождения, мать будущего учёного обзавелась новой семьёй, оставив сына на попечение родственников. Ньютон рос болезненным, но мечтательным ребёнком, уже в детском возрасте проявив любовь к чтению и разработке простых игрушек. Однако в первое время в школе мальчик плохо учился, и только случай помог изменить его отношение к учёбе. Будучи слабым ребёнком, Ньютон подвергся нападению со стороны своих одноклассников и, понимая, что едва ли сможет одолеть их физически, решил превзойти обидчиков умом.
Так, в 1661 году Исаак Ньютон стал студентом Колледжа Святой Троицы, находящегося под попечением Кембриджского университета, впоследствии связав с ним более 30 лет жизни. В период чумы, царствовавшей в Англии с 1665 по 1667 годы, Ньютон вернулся в домой, и, как после утверждал сам учёный, именно в этот период он сделал большую часть своих научных открытий.
В 1668 году после возвращения в колледж Исааком Ньютоном была получена магистерская степень, и он стал преподавателем в своей альма-матер. В последующие годы физик глубоко увлёкся алхимией, математическим анализом и проводил оптические опыты, и ему удалось изобрести телескоп-рефлектор, усовершенствованные версии которого помогли открыть многие астрономические объекты.
Ньютон был замкнутым, нелюдимым человеком, не любившим делиться своими научными результатами из-за споров и дискуссий, в которые его постоянно норовили втянуть. Зимой 1677 года в его доме случился пожар, в связи с чем сгорела большая часть его рукописных работ, а в мае того же года умер его друг Исаак Барроу, что стало невосполнимой утратой для учёного, которому за всю жизнь удалось сблизиться только с несколькими людьми.
В 1689 году, через два года после опубликования знаменитых «Начал», её автор начал административную деятельность, заседая от имени своего университета в парламенте, но в 1696 году Ньютон навсегда покинул колледж и получил должность хранителя Монетного двора.
В 1703 году Королевское общество выбрало Ньютона президентом, а в 1705 году королева Великобритании Анна даровала ему титул сэра, который был впервые присвоен за научные достижения.
Сэр Исаак Ньютон умер 31 марта 1727 года. Современники описывали, что в похоронах участвовал весь Лондон.
Вопрос о том, как был открыт закон всемирного тяготения, только на первый взгляд кажется простым. На самом деле его ответ скрывает в себе многолетний труд множества учёных, которые постепенно делали возможным данное открытие.
Закон всемирного тяготения Исаака Ньютона и гравитация
Как был открыт закон всемирного тяготения и почему Луна не падает на Землю.
Во вселенной существует всего одна сила, действие которой по-истине глобально и распространяется на все предметы – от мелких песчинок, до гигантских звезд. Это сила тяготения, сила гравитации.
Все знают историю про Исаака Ньютона и яблоко. Однако не все знают, что он пошел дальше и разобрался с Луной!
Закон всемирного тяготения был впервые сформулирован Исааком Ньютоном в 1666 году. Началось все с простого вопроса – почему Луна не падает на Землю (или не улетает от неё), в то время как яблоко, как высоко его не подбрасывай, в воздухе не зависнет. При этом, вполне очевидно, что Луна – штука гораздо более тяжелая, чем яблоко.
Ньютон провел довольно остроумный опыт. Нам известно, что на поверхности Земли, ускорение свободно падающего тела равно 9,81 м/с 2
При этом, учитывая, что наша планета имеет форму шара, ускорение 9,81 м/с 2 получается за 1 земной радиус (расстояние от центра планеты до поверхности).
Если же рассчитать, зная расстояние до Луны и период её обращения вокруг Земли, её ускорение, то мы получим значение меньше “яблочного” в 60 2 раз. Но ведь и Луна, находится от центра Земли в 60 раз дальше…
Наглядная иллюстрация разности ускорения.
“Совпадение” с цифрами показались Ньютону не случайными. Он предположил, что сила притяжения тела (в данном случае нашей планеты) не остается постоянной на удалении от него, а меняется обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли. Короче говоря: чем больше расстояние – тем меньше сила притяжения.
Это предположение означало, что силу, которая удерживает Луну на ее орбите, можно рассматривать как силу притяжения Земли, ослабленную пропорционально отношению квадратов расстояний от центра Земли до Луны и от центра Земли до поверхности Земли.
Это, в свою очередь, позволило сформулировать и сам закон тяготения Ньютона: любые две частицы материи взаимно притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Математически закон записывается так:
Коэффициент G называется постоянной тяготения или гравитационной постоянной, её значение вычислено достаточно точно и составляет: 6,67⋅10 −11 м³/(кг·с²).
Тут может возникнуть вполне резонный вопрос: если гравитация есть у любого предмета, почему, к примеру, не притягиваются друг к другу камни, гайки, люди…. да даже металлические шарики, положи их рядом – не катятся друг к другу на встречу?
Ответ, конечно прост: вы посмотрите на значение гравитационной постоянной и вам станет очевидно, что сама по себе её величина ну очень мала. Настолько мала, что даже для таких крупных предметов как здания или горы её практически невозможно обнаружить и измерить – куда там людям или шарикам.
Другое дело – небесные тела вроде планет, звезд, галактик и т.п. Они обладают гигантскими массами, по порядку величины многократно превышающими численное значение G. Поэтому оказывается, что, несмотря на свою слабость, именно сила тяготения является главной, ведущей, управляющей движениями всех небесных тел. Именно закон тяготения описывает траектории движений планет и их спутников, а также звезд и даже звездных скоплений.
Наглядная схема разности гравитационных сил Земли и Луны. Наша планета изрядно «проминает» ткань пространства и не дает Луне убежать. Однако, чтобы совсем притянуть её к себе, сил не хватает. И слава богу!
Поскольку оказалось, что закон работает на огромных расстояниях от Земли, а значит, работал и миллиарды лет тому назад, закон тяготения принято называть законом всемирного тяготения, подчеркивая его всеобщность и фундаментальность в нашей Вселенной.
Считаю важным добавить: некоторые космологические модели предусматривают возможность медленного изменения гравитационной постоянной со временем, но на сегодняшний день экспериментально такое изменение достоверно не обнаружено, что позволяет считать G константой.
Открытие Исаака Ньютона позволило не только объяснить множественные “странности” в поведении массивных небесных тел: особенности в движении Луны, явление прецессии, приливы, сжатие газовых гигантов у полюсов, движения в системах двойных звезд, но также помогло «взвесить» Землю и другие планеты и даже предсказывать будущие открытия. Так, например, ещё в 1798 г. Пьер Лаплас фактически обосновал то явление, что мы сейчас называем “черной дырой”, рассчитав, что если некая звезда достигнет невероятной массы и плотности вещества, то её излучение не сможет уйти от неё и этот объект просто “исчезнет” для стороннего наблюдателя.
Недалеко упало В Сети выложили оригинал истории про Ньютона и яблоко
Все мы с детства помним рассказ про Исаака Ньютона и упавшее ему на голову яблоко. Якобы именно этот случай помог великому ученому сформулировать закон всемирного тяготения. Существует еще немало историй, описывающих совершение того или иного открытия. Такие истории принято называть научными мифами (хотя под этим же термином объединяют устоявшиеся псевдонаучные поверья).
Итак, яблоко упало вовсе не на голову ученому. Впрочем, сути рассказа этот факт не меняет. Кстати, существует еще и третий вариант истории, согласно которому Ньютон наблюдал падение пресловутого фрукта ночью, когда на небе ярко светила луна.
Историки считают, что распространению мифа о яблоке активно способствовал сам ученый. Утверждается, что сэр Ньютон поведал эту историю племяннице Вольтера, которая пересказала ее дядюшке. Последний описал случай с яблоком в своей книге «Опыт об эпической поэзии» (Essai sur la poesie epique). Зачем Ньютон культивировал миф – доподлинно неизвестно. Не исключено, что просто ради забавы. Но независимо от того, реальна история про яблоко или нет, она свидетельствует об огромной умственной работе, которую совершил ученый, и о том, насколько грандиозен был тот интеллектуальный прыжок, который Ньютон совершил в попытках объяснить реальность. Действительно, как связано яблоко и закон всемирного тяготения?
Сейчас мы знаем, что яблоки падают под воздействием силы притяжения, которая неумолимо влечет их к земле. Знали это и во времена Ньютона. Один из его предшественников – Галилео Галилей – провел долгие часы на вершине Пизанской башни, сбрасывая с нее разные предметы (кстати, это еще один распространенный научный миф). Но до Ньютона никто не связывал падение яблок или бутербродов с маслом с движением по небу Луны или Солнца. Гениальность Ньютона была в том, что он первый догадался объединить законы, управляющие падением вещей на землю, и законы, регулирующие перемещения небесных тел. Полученный сэром Исааком Ньютоном общий принцип получил название закона всемирного тяготения.
Большинство других научных мифов также иллюстрируют, как великие люди делают нестандартные выводы из стандартных ситуаций. И именно эта способность является лучшим доказательством их гениальности. Классический пример такого мифа – история открытия закона Архимеда. Как повествует легенда, греческий царь Гиерон заказал Архимеду проверить, сделана новая корона из чистого золота или в ней есть примеси. Самый простой способ определить, состоит ли некий предмет из золота, заключается в сравнении его веса с весом золотого слитка того же объема. Но замысловатая форма царской короны не позволяла провести этот эксперимент напрямую. Вариант расплавить корону, по понятным причинам, отпадал.
Еще одна категория научных мифов описывает, как ученые совершали те или иные открытия во сне. Здесь можно вспомнить Дмитрия Менделеева, которому Морфей помог создать периодическую таблицу элементов, а также Фридриха Кекуле и пригрезившуюся ему структуру бензола. Не исключено, что исследователи и правда видели вещие сны. Но вряд ли таблица, в которой упорядоченно расположены несколько десятков элементов и даже (что особенно важно) оставлены пробелы для еще не открытых веществ, или вот такая структура могут присниться человеку, не потратившему многие дни на размышления. Вероятнее всего, молекулы бензола снятся тем, кто уже, в общем-то, все придумал и кому осталось сделать последний шаг до окончательного открытия.