Гравитационное поле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Егорьевский технологический институт (филиал)

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

(ЕТИ ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН»)

Кафедра «ТАП»

Реферат

по дисциплине «Физика»

Работу выполнил: Некрасов С.М/

г. Егорьевск 2020

Цели

1. Проанализировать понятия Гравитации и Гравитационного поля.

2. Рассмотреть историю развития научного объяснения понятия Гравитация.

3. Привести примеры классических теорий гравитации.

4. Изучить понятие Напряженности гравитационного поля, формулы Напряженности гравитационного поля, единицы измерения.

5. Выяснить, что такое Потенциал гравитационного поля.

Введение

Гравитация это тяготение, которое испытывают все материальные тела. Иными словами, гравитация - это невидимая сила, действующая между любыми телами во Вселенной. Термин «гравитация» в переводе с латинского означает «тяжесть». Согласно легенде, Закон всемирного притяжения был открыт Исааком Ньютоном после того, как на него с дерева упало яблоко. Явление гравитации наиболее полно описано Альбертом Эйнштейном в Общей теории относительности. Гравитационное притяжение любых тел зависит от их масс и расстояния между ними. Сила притяжения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Также гравитация может изменять скорость и направление движения тел. Вне зависимости от массы, гравитация придает всем телам одинаковое ускорение - 9, 81 м за секунду.

Гравитационное поле

Гравитационное поле, или поле тяготения -- физическое поле, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие.

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния

Здесь -- гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725Ч10?11 мі/(кг·сІ).

Для расчёта поля в более сложных случаях, когда тяготеющие массы нельзя считать материальными точками, можно воспользоваться тем фактом, что поле ньютоновского тяготения потенциально. Если обозначить плотность вещества с, то потенциал поля ц удовлетворяет уравнению Пуассона:

гравитационный поле напряженность

Закон всемирного тяготения -- одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося также и при изучении излучений, и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Гравитационное поле, так же как и поле силы тяжести, потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты -- планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация -- слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами в космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления -- орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так -- если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

Классические теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации -- общая теория относительности, и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой. Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты.

Гравитационное поле в общей теории относительности

В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии. Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем -- метрикой четырёхмерного пространства-времени, а напряжённость гравитационного поля -- с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой.

Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих геометрические свойства пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырёхмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием её формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка.

Известно, что в ОТО имеются затруднения в связи с неинвариантностью энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором и может быть теоретически определена разными способами. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия (так как спин протяжённого объекта также не имеет однозначного определения).

Теория Эйнштейна -- Картана

Теория Эйнштейна -- Картана (ЭК) была разработана как расширение ОТО, внутренне включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии-импульса также и спина объектов. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана -- Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса. Один из них аналогичен ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второй класс уравнений задаёт связь тензора кручения и тензора спина материи и излучения. Получаемые поправки к ОТО в условиях современной Вселенной настолько малы, что пока не видно даже гипотетических путей для их измерения.

Теория Бранса -- Дикке

В скалярно-тензорных теориях, самой известной из которых является теория Бранса -- Дикке (или Йордана -- Бранса -- Дикке), гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется воздействием не только тензора энергии-импульса материи, как в ОТО, но и дополнительного гравитационного скалярного поля. Источником скалярного поля считается свёрнутый тензор энергии-импульса материи. Следовательно, скалярно-тензорные теории, как ОТО и РТГ, относятся к метрическим теориям, дающим объяснение гравитации, используя только геометрию пространства-времени и его метрические свойства. Наличие скалярного поля приводит к двум группам уравнений для компонент гравитационного поля: одна для метрики, вторая -- для скалярного поля.

Теория Бранса -- Дикке вследствие наличия скалярного поля может рассматриваться также как действующая в пятимерном многообразии, состоящем из пространства-времени и скалярного поля.

Подобное распадение уравнений на два класса имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского. Благодаря наличию безразмерного параметра в теории Йордана -- Бранса -- Дикке появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов. При этом при стремлении параметра к бесконечности предсказания теории становятся всё более близкими к ОТО, так что опровергнуть теорию Йордана -- Бранса -- Дикке невозможно никаким экспериментом, подтверждающим общую теорию относительности.

Гравитационное поле

Каждое тело (например, Земля) создает вокруг себя силовое поле -- поле тяготения. Напряженность этого поля в любой его точке характеризует силу, которая действует на находящееся в этой точке другое тело.

Если: g -- напряженность гравитационного поля,

F -- гравитационная сила действующая на тело массой m,

m -- масса тела в гравитационном поле, то Напряженность поля g представляет собой векторную величину, направление которой определяется направлением гравитационной силы F, а численное значение -- формулой ускорения свободного падения.

Напряженность гравитационного поля совпадает по величине, направлению и единицам измерения с ускорением свободного падения, хотя по своему физическому смыслу, это совершенно разные физические величины. В то время, как напряженность поля характеризует состояние пространства в данной точке, сила и ускорение появляются только тогда, когда в данной точке находится пробное тело.

Напряженность гравитационного поля

Напряженность гравитационного поля (), силовая характеристика поля, равна силе, действующей со стороны поля на материальную точку единичной массы, и совпадает по направлению с действующей силой (это ничто иное как ускорение, с которым тело движется в поле тяготения):

Единица измерения напряженности гравитационного поля [g]=м/с2.

Линия напряженности гравитационного поля - линия, касательные, к каждой точке которой совпадает с вектором напряженности.

На всякое тело массой m, внесенное в поле, действует сила тяготения или сила тяжести, равная произведению массы тела на напряженность гравитационного поля в месте расположения тела:

Независимо от своей массы все тела под действием силы тяжести движутся с одинаковым ускорением ()

Потенциал гравитационного поля

Потенциал гравитационного поля (ц) - энергетическая характеристика поля, скалярная величина, определяемая потенциальной энергией тела единичной массы в данной точке поля:

Единица измерения [ц]=Дж/кг.

Потенциальная энергия тела в гравитационном поле равна:

Тогда работа гравитационного поля по перемещению тела из точки с потенциалом ц1 в точку с потенциалом ц2 равна:

,

Работа гравитационного поля по перемещению тела между двумя точками не зависит от траектории движения тела, а определяется только разностью потенциалов начальной и конечной точек, на замкнутом пути работа гравитационного поля равна нулю. То есть, сила всемирного тяготения и сила тяжести являются консервативными.

Эквипотенциальные поверхности - поверхности, образованные точками поля, потенциал которых одинаков. Работа гравитационного поля при движении тела вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

Можно дать второе определение потенциала поля тяготения - это работа по перемещению единичной массы из данной точки поля в бесконечность.

Заключение

Каждое тело создает вокруг себя силовое поле -- поле тяготения. Напряженность этого поля в любой его точке характеризует силу, которая действует на находящееся в этой точке другое тело.

Напряженность поля представляет собой вектор величины, направление которой определяется направлением гравитационной силы F, а численное значение -- формулой ускорения свободного падения. Данное поле действует на любое тело определенной массы m, находящееся в поле, на которое действует сила тяготения или сила тяжести, которая равна произведению массы тела на напряженность гравитационного поля в месте расположения тела.

Потенциалом гравитационного поля (ц) является энергетическая характеристика поля, скалярная величина которого, определяется потенциальной энергией тела единичной массы в данной точке поля.

Список используемой литературы

1. Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900--1915). -- М.: Наука, 1981. -- 352c.

2. Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. -- М.: Наука, 1985. -- 304c.

3. Иваненко Д. Д., Сарданашвили Г. А. Гравитация. 3-е изд. -- М.: УРСС, 2008. -- 200с.

4. Жонголович И., Внешнее гравитационное поле Земли и фундаментальные постоянные, связанные с ним, «Тр. института теоретической астрономии», 1952, в. 3;

Размещено на Allbest.ru