Grawitacja

Spadanie cia│ swobodnych na ziemiΩ cz│owiek obserwowa│ od niepamiΩtnych czas≤w. Po raz pierwszy zaczΩli siΩ nad tym zastanawiaµ staro┐ytni Grecy. Ich pogl╣dy jednak, oparte na powierzchownych obserwacjach, zawiera│y wiΩcej wniosk≤w fa│szywych ni┐ prawdziwych. NajwiΩkszy wp│yw na dalszy rozw≤j pogl╣d≤w (wp│yw negatywny) mia│y koncepcje Arystotelesa. Uwa┐a│ on, ┐e wszystkie cia│a niebieskie poruszaj╣ siΩ ruchem naturalnym, przyrodzonym, bez dzia│anie jakich kolwiek czynnik≤w. Eliminowa│ tym samym ci╣┐enie powszechne. Natomiast cia│a poruszaj╣ce siΩ w pobli┐u Ziemi dzieli│ na dwa rodzaje: cia│a lekkie i cia│a ciΩ┐kie. Pierwsze np. ogie±, mia│y tΩ w│a£ciwo£µ, ┐e d╣┐y│y do zajΩcia miejsca jak najdalej £rodka £wiata (kt≤ry mia│ znajdowaµ siΩ w £rodku Ziemi); drugie wykazywa│y naturaln╣ d╣┐no£µ wrΩcz przeciwnej natury i dlatego spada│y na ZiemiΩ. Przy tym Arystoteles zak│ada│, ┐e d╣┐no£µ cia│ do zajΩcia miejsca mo┐liwie jak najbli┐ej £rodka £wiata jest tym silniejsza, im s╣ one ciΩ┐sze i im bli┐ej £rodka £wiata siΩ znajduj╣. W wyobra┐eniach tych mo┐na by│oby siΩ dopatrywaµ sformu│owania prawa powszechnego ci╣┐enia (dla cia│ znajduj╣cych siΩ w pobli┐u Ziemi), jednak┐e miar╣ d╣┐no£ci cia│ do ulokowania siΩ blisko £rodka £wiata by│a dla Arystotelesa nie si│a, lecz prΩdko£µ. A z tego wynika│ wniosek, ┐e cia│a ciΩ┐sze powinny spadaµ szybciej ni┐ cia│a l┐ejsze.

Pogl╣dy Arystotelesa przetrwa│y wiele wiek≤w, mimo i┐ mia│y swych zdecydowanych przeciwnik≤w w£r≤d najwybitniejszych uczonych. Ba│ siΩ z nimi zerwaµ nawet nasz wielki astronom Miko│aj Kopernik, kt≤ry po opracowaniu heliocentrycznej teorii Uk│adu S│onecznego (pocz╣tek XVI w.) Przypuszcza│, i┐ nie mo┐na eliminowaµ grawitacji ze zjawisk astronomicznych.

Obalenie hipotez Arystotelesa zajΩ│o tyle czasu i wiele wysi│k≤w. Rzecz╣ podstawow╣ by│o wykazanie, ┐e czas spadania cia│ nie zale┐y od ich masy, a przynajmniej nie w taki spos≤b, jak to postulowa│ Arystoteles. Decyduj╣ce znaczenie mia│y tu do£wiadczenia Galileusza, kt≤ry bada│ swobodny spadek cia│ (spuszczanych podobno z wierzcho│ka s│ynnej wierzy w Pizie). Na podstawie tych do£wiadcze± Galileusz wyci╣gn╣ w 1602 r. wniosek, ┐e wszystkie cia│a spadaj╣ z jednakowym przyspieszeniem (tzw. prawo spadku swobodnego). Tym samym do£wiadczenia wykaza│y b│Ωdno£µ spekulatywnych wniosk≤w Arystotelesa.

Jednocze£nie gromadzi│y siΩ fakty, kt≤re mia│y rych│o doprowadziµ do odkrycia powszechnego prawa ci╣┐enia. Z odkryciem tym wi╣┐╣ siΩ nazwiska wielu wybitnych uczonych XVI i XVII w., przede wszystkim za£ T. Brahe, J. Keplera i wreszcie I. Newtona. T. Brahe prowadzi│ w swym obserwatorium Uraniborg na wyspie Ven (Hven) ko│o Kopenhagi systematyczne obserwacje ruchu planet, co mia│o na celu gromadzenie materia│u umo┐liwiaj╣cego odkrycie og≤lnych praw rz╣dz╣cych ruchem planet.

Prawo powszechnego ci╣┐enia odkry│ I. Newton prawdopodobnie w 1665 r. (opublikowa│ je dopiero w 1687 r.). Prawo to orzeka: si│a F, jak╣ przyci╣gaj╣ siΩ dwa cia│a, jest wprost proporcjonalne do iloczynu ich mas m i m o odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odleg│o£µ r miΩdzy nimi: We wzorze znak minus wskazuje, ┐e si│a ci╣┐enia jest si│╣ przyci╣gania, G jest wsp≤│czynnikiem proporcjonalno£ci, zale┐nym od wyboru jednostek miar masy i d│ugo£ci, zwanym sta│╣ grawitacj╣.

Bezpo£rednim dowodem s│uszno£ci prawa powszechnego ci╣┐enia Newtona by│o to, ┐e - po pierwsze - wynika│o ze± prawo spadku swobodnego Galileusza i - po drugie - prawa ruchu planet Kaplera. Wskazywa│o to jednocze£nie, ┐e grawitacja wystΩpuje i w skali zjawisk przy powierzchni Ziemi, i w skali kosmicznej, a wiΩc jest zjawiskiem powszechnym. Odkrycie prawa powszechnego ci╣┐enia zako±czy│o pewien etap w badaniach nad n. g. Wiadomo by│o ju┐, jak cia│a siΩ przyci╣gaj╣, wci╣┐ jednak bez odpowiedzi pozostawa│o pytanie: dlaczego? Innymi s│owy, sama n. g. pozostawa│a wci╣┐ jeszcze problemem otwartym. Pierwsz╣ udan╣ pr≤b╣ jego rozwi╣zania by│a tzw. og≤lna teoria wzglΩdno£ci (zwana te┐ teori╣ grawitacji), kt≤r╣ opracowa│ w latach 1905 - 1916 A. Einstein. Jednym z zasadniczych za│o┐e± tej teorii jest tzw. zasada r≤wnowa┐no£ci, kt≤ra orzek│a, ┐e si│y grawitacyjne s╣ obiektywne nieodr≤┐nialne od si│ bezw│adno£ci.

Na przyk│ad pasa┐er w windzie ruszaj╣cej do g≤ry (lub na d≤│) odczuwa dzia│anie si│ bezw│adno£ci jako wzrost (lub zmniejszanie) swego ciΩ┐aru, a wiΩc gdyby nie wiedzia│, ┐e siΩ znajduje w windzie, to nie potrafi│by powiedzieµ, czy dzia│aj╣ na± si│y bezw│adno£ci, czy dodatkowe si│y grawitacyjne.

Je£li upu£cimy jaki£ przedmiot, spadnie on na ziemiΩ. Jest to spowodowane si│╣ ciΩ┐ko£ci, czyli grawitacj╣. Jest to si│a powoduj╣ca przyci╣ganie siΩ cia│. Nie tylko Ziemia jest ƒr≤d│em grawitacji - ma j╣ tak┐e KsiΩ┐yc. Grawitacja S│o±ca przyci╣ga ZiemiΩ oraz pozosta│e planety i utrzymuje je na orbitach. Si│a oddzia│ywania grawitacyjnego dw≤ch cia│ zale┐y od odleg│o£ci miΩdzy nimi. Im wiΩksza jest odleg│o£µ, tym mniejsza si│a przyci╣ga je do siebie. Oddzia│ywanie zale┐y te┐ od mas obu cia│ - wiΩkszym masom odpowiada wiΩksza si│a ciΩ┐ko£ci.

îrodek ciΩ┐ko£ci.

îrodek ciΩ┐ko£ci ka┐dego przedmiotu to taki punkt, w kt≤rym koncentruje siΩ ca│e dzia│anie grawitacji na ten punkt. Przedmiot podparty w punkcie le┐╣cym na linii │╣cz╣cej jego £rodek ciΩ┐ko£ci z ziemi╣ mo┐e byµ w r≤wnowadze. Ale naj│atwiej jest utrzymaµ r≤wnowagΩ, je£li £rodek ciΩ┐ko£ci jest po│o┐ony nisko.

Np. Korek utrzymuje siΩ na ostrzu ig│y. Jest w r≤wnowadze, poniewa┐ ciΩ┐kie widelce zwisaj╣ce w d≤│ powoduj╣, ┐e £rodek ciΩ┐ko£ci ca│o£ci znajduje siΩ poni┐ej korka, pod punktem podparcia.

Masa i ciΩ┐ar.

Masa nie jest tym samym co ciΩ┐ar. Masa okre£la ilo£µ substancji w danym ciele; ciΩ┐ar jest to si│a, z jak╣ grawitacja dzia│a na dan╣ masΩ. Kobia│ka truskawek na KsiΩ┐ycu wa┐y│aby zaledwie jedn╣ sz≤st╣ tego, co na Ziemi, choµ masa by│aby taka sama. Jest tek dlatego, ┐e si│a ciΩ┐ko£ci na powierzchni KsiΩ┐yca jest sze£ciokrotnie mniejsza ni┐ na Ziemi.

Grawitacja na KsiΩ┐ycu.

Si│a ciΩ┐ko£ci na KsiΩ┐ycu jest mniejsza ni┐ na Ziemi, poniewa┐ jest on mniejszy i ma mniejsz╣ masΩ. Cia│o spadaj╣ce na KsiΩ┐ycu przyspiesza sze£ciokrotnie wolniej ani┐eli na Ziemi, a podskoczyµ na KsiΩ┐ycu mo┐na sze£µ razy wy┐ej ni┐ na Ziemi.

Bumerang.

W niekt≤rych wypadkach £rodek ciΩ┐ko£ci znajduje siΩ we wewn╣trz danego przedmiotu, lecz na zewn╣trz. Tak jest z bumerangiem. Ma on taki kszta│t, ┐e mo┐na postawiµ go na brzegu podpieraj╣c w punkcie przegiΩcia.

Przyp│ywy i odp│ywy.

P│ywy s╣ skutkiem grawitacji. Ocean z tej strony Ziemi, z kt≤rej jest KsiΩ┐yc, jest przez niego przyci╣gany, co powoduje przyp│yw.Z przeciwnej strony Ziemi w tym czasie te┐ jest przyp│yw, gdy┐ Ziemia jest przyci╣gana przez KsiΩ┐yc bardziej ni┐ woda. Wp│yw S│o±ca na przyp│ywy jest niewielki. Kiedy S│o±ce i KsiΩ┐yc ustawiaj╣ siΩ w jednej linii, pojawiaj╣ siΩ najwiΩksze przyp│ywy.