קבוע הכבידה הוא הבסיס להמרת גדלים פיזיים ואסטרונומיים אחרים, כמו מסות כוכבי הלכת ביקום, כולל כדור הארץ, כמו גם גופים קוסמיים אחרים, ליחידות מדידה מסורתיות, כמו קילוגרמים. יחד עם זאת, בשל חולשת האינטראקציה הכבידתית והדיוק הנמוך של המדידות של קבוע הכבידה כתוצאה מכך, היחסים בין המסות של הגופים הקוסמיים ידועים בדרך כלל בצורה מדויקת הרבה יותר מאשר מסות בודדות בקילוגרמים.
קבוע הכבידה הוא אחת מיחידות המדידה הבסיסיות במערכת היחידות של פלאנק.
היסטוריית מדידות
קבוע הכבידה מופיע בתיעוד המודרני של חוק הכבידה האוניברסלית, אך נעדר במפורש מניוטון ובעבודותיהם של מדענים אחרים עד מוקדם XIXמֵאָה. קבוע הכבידה בצורתו הנוכחית הוכנס לראשונה לחוק כוח משיכה, ככל הנראה, רק לאחר המעבר למערכת מטרית אחת של מדדים. אולי בפעם הראשונה זה נעשה על ידי הפיזיקאי הצרפתי פואסון ב-Treatise on Mechanics (1809), לפחות לא זוהו עבודות קודמות שבהן קבוע הכבידה יופיע על ידי היסטוריונים [ ] .
G\u003d 6.67554(16) × 10 −11 m 3 s −2 kg −1 (שגיאה יחסית סטנדרטית 25 עמודים לדקה (או 0.0025%), הערך המקורי שפורסם שונה במקצת מהאחרון עקב טעות בחישובים והיה מאוחר יותר תוקן על ידי המחברים).ראה גם
הערות
- בתורת היחסות הכללית, סימון באמצעות האות G, משמשים לעתים רחוקות, מכיוון ששם האות הזו משמשת בדרך כלל לציון טנזור איינשטיין.
- בהגדרה, המסות הכלולות במשוואה זו הן מסות כבידה, אולם הפער בין גודל המסה הכבידה והאינרציאלית של גוף כלשהו טרם נמצא בניסוי. תיאורטית, במסגרת הרעיונות המודרניים, הם כמעט ולא שונים. זו הייתה בדרך כלל ההנחה הסטנדרטית מאז תקופתו של ניוטון.
- מדידות חדשות של קבוע הכבידה מבלבלות את המצב עוד יותר // Elementy.ru, 09/13/2013
- ערכים בינלאומיים מומלצים של CODATA של הקבועים הפיזיים הבסיסיים(אנגלית) . אוחזר ב-30 ביוני 2015.
- מחברים שונים נותנים תוצאות שונות, מ-6.754⋅10 −11 m²/kg² ועד (6.60 ± 0.04)⋅10 −11 m³/(kg s³) - ראה ניסוי קוונדיש#ערך מחושב.
- איגור איבנוב. מדידות חדשות של קבוע הכבידה מבלבלות עוד יותר את המצב (סְתָמִי) (13 בספטמבר 2013). אוחזר ב-14 בספטמבר 2013.
- האם קבוע הכבידה כל כך קבוע? עותק ארכיוני מיום 14 ביולי 2014 ב-Wayback Machine
- ברוקס, מייקל האם השדה המגנטי של כדור הארץ יכול להניע את כוח הכבידה? (סְתָמִי) . New Scientist (21 בספטמבר 2002). [נכנס לארכיון ב-Wayback Machine בארכיון] 8 בפברואר 2011.
- Eroshenko Yu. N. חדשות פיזיקה באינטרנט (מבוססות על טביעות מקדימות אלקטרוניות), UFN, 2000, vol. 170, no. 6, p. 680
- פיזי. לְהַאִיץ. Lett. 105 110801 (2010) ב-ArXiv.org
- חדשות פיזיקה לאוקטובר 2010
- קווין טרי, פארקס הרולד, ספיק קלייב, דייוויס ריצ'רד.קביעה משופרת של Gשימוש בשתי שיטות // מכתבי סקירה פיזית. - 2013. - 5 בספטמבר (כרך 111, מס' 10). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.111.101102 .
- קווין טרי, ספיק קלייב, פארקס הרולד, דייוויס ריצ'רד. Erratum: קביעה משופרת של Gשימוש בשתי שיטות // מכתבי סקירה פיזית. - 2014. - 15 ביולי (כרך 113, מס' 3). - ISSN 0031-9007. - DOI:10.1103/PhysRevLett.113.039901 .
- Rosi G., Sorrentino F., Cacciapuoti L., Prevedelli M., Tino G. M.
הקטע קל מאוד לשימוש. בשדה המוצע, פשוט הזן את המילה הרצויה, ואנו ניתן לך רשימה של משמעויותיה. ברצוני לציין שהאתר שלנו מספק נתונים ממקורות שונים - מילונים אנציקלופדיים, מסבירים, בוני מילים. כאן תוכלו גם להכיר דוגמאות לשימוש במילה שהזנתם.
מה המשמעות של "קבוע כבידה"?
מילון אנציקלופדי, 1998
קבוע כבידה
גורם פרופורציונליות כבידה (מסומן כ-G) בחוק הכבידה של ניוטון (ראה חוק כבידה אוניברסלי), G = (6.67259+0.00085) 10-11 N m2/kg2.
קבוע כבידה
מקדם מידתיות G בנוסחה המבטאת את חוק הכבידה של ניוטון F = G mM / r2, כאשר F ≈ כוח המשיכה, M ו- m ≈ מסות של גופים מושכים, r ≈ מרחק בין גופים. כינויים אחרים של G. p .: g או f (לעתים קרובות יותר k2). הערך המספרי של G.p תלוי בבחירת מערכת יחידות האורך, המסה והכוח. במערכת cgs של יחידות
G = (6.673 ╠ 0.003)×10-8 ימים×cm2×g-2
או cm3×g
--1×sec-2, in מערכת בינלאומיתיחידות G = (6.673 ╠ 0.003)×10-11×n×m2×kg
--2
או m3×kg-1×sec-2. הערך המדויק ביותר של G.p מתקבל ממדידות מעבדה של כוח המשיכה בין שתי מסות ידועות באמצעות מאזן פיתול.
בעת חישוב המסלולים של גרמי שמים (לדוגמה, לוויינים) ביחס לכדור הארץ, נעשה שימוש ב-G.p. הגיאוצנטרית ≈ המכפלה של G.p. במסה של כדור הארץ (כולל האטמוספירה שלו):
GE = (3.98603 ╠ 0.00003)×1014×m3×s-2.
בעת חישוב המסלולים של גרמי שמים ביחס לשמש, נעשה שימוש ב-G.p. ההליוצנטרי ≈ המכפלה של G.p. במסה של השמש:
GSs = 1.32718×1020×m3×s-2.
ערכים אלה של GE ו-GS מתאימים למערכת הקבועים האסטרונומיים הבסיסיים שאומצה בשנת 1964 בקונגרס של האיגוד האסטרונומי הבינלאומי.
יו.א ריאבוב.
ויקיפדיה
קבוע כבידה
קבוע כבידה, הקבוע של ניוטון(מסומן בדרך כלל , לפעמים או) - קבוע פיזיקלי בסיסי, קבוע אינטראקציה כבידה.
על פי חוק הכבידה האוניברסלית של ניוטון, כוח המשיכה הכבידה בין שתי נקודות חומריות עם מסות ו , ממוקם במרחק , שווה ל:
$F=G\frac(m_1 m_2)(r^2).$
גורם מידתיותבמשוואה זו נקרא קבוע כבידה. מבחינה מספרית, הוא שווה למודול כוח הכבידה הפועל עליו גוף נקודתייחידת מסה מהצד של גוף דומה אחר הממוקם במרחק יחידה ממנו.
6.67428(67) 10 m s kg, או N m² kg,
בשנת 2010 תוקן הערך ל:
6.67384(80) 10 מ' ש' ק"ג, או N מ"ר ק"ג.
בשנת 2014, הערך של קבוע הכבידה המומלץ על ידי CODATA הפך:
6.67408(31) 10 מ' ש' ק"ג, או N מ"ר ק"ג.
באוקטובר 2010 הופיע מאמר בכתב העת Physical Review Letters המציע ערך מעודכן של 6.67234(14), שהוא שלוש סטיות תקן פחות מהערך , שהומלץ בשנת 2008 על ידי הוועדה לנתונים למדע וטכנולוגיה (CODATA), אך מתאים לערך ה-CODATA הקודם שהוצג בשנת 1986. עדכון הערך , שהתרחשה בין 1986 ל-2008, נגרמה על ידי מחקרים על חוסר הגמישות של חוטי מתלה במאזני פיתול. קבוע הכבידה הוא הבסיס להמרת גדלים פיזיים ואסטרונומיים אחרים, כמו מסות כוכבי הלכת ביקום, כולל כדור הארץ, כמו גם גופים קוסמיים אחרים, ליחידות מדידה מסורתיות, כמו קילוגרמים. יחד עם זאת, בשל חולשת האינטראקציה הכבידתית והדיוק הנמוך של המדידות של קבוע הכבידה כתוצאה מכך, היחסים בין המסות של הגופים הקוסמיים ידועים בדרך כלל בצורה מדויקת הרבה יותר מאשר מסות בודדות בקילוגרמים.
כדי להסביר את האבולוציה הנצפית של היקום במסגרת התיאוריות הקיימות, יש להניח שקבועים יסודיים מסוימים קבועים יותר מאחרים.
בין הקבועים הפיזיקליים הבסיסיים - מהירות האור, קבוע פלאנק, המטען והמסה של האלקטרון - קבוע הכבידה עומד איכשהו בנפרד. אפילו ההיסטוריה של מדידתו מתוארת באנציקלופדיות המפורסמות בריטניקה ולרוס, שלא לדבר על "האנציקלופדיה הפיזית", עם שגיאות. מהמאמרים הרלוונטיים בהם ילמד הקורא שערכו המספרי נקבע לראשונה בניסויי דיוק בשנים 1797–1798 על ידי הפיזיקאי והכימאי האנגלי המפורסם הנרי קוונדיש (הנרי קוונדיש, 1731–1810), הדוכס מדבונשייר. למעשה, קוונדיש מדד את הצפיפות הממוצעת של כדור הארץ (הנתונים שלו, אגב, שונים רק בחצי אחוז מתוצאות מחקרים מודרניים). לאחר מידע על צפיפות כדור הארץ, נוכל לחשב בקלות את המסה שלו, ובידיעה של המסה, לקבוע את קבוע הכבידה.
האינטריגה היא שבתקופתו של קוונדיש, המושג של קבוע הכבידה עדיין לא היה קיים, וחוק הכבידה האוניברסלית לא התקבל להיכתב בצורה המוכרת לנו. נזכיר שכוח הכבידה הוא פרופורציונלי למכפלת מסות הגופים הכובדים וביחס הפוך לריבוע המרחק בין הגופים הללו, בעוד שמקדם המידתיות הוא בדיוק קבוע הכבידה. צורת כתיבה זו של חוק ניוטון מופיעה רק במאה ה-19. והניסויים הראשונים שבהם נמדד קבוע הכבידה בוצעו כבר בסוף המאה - ב-1884.
כפי שמציין ההיסטוריון הרוסי של המדע קונסטנטין טומילין, קבוע הכבידה שונה מקבועים יסודיים אחרים גם בכך שהקנה מידה הטבעי של כל גודל פיזיקלי אינו קשור אליו. יחד עם זאת, מהירות האור קובעת את ערך הגבול של המהירות, והקבוע של פלאנק - השינוי המינימלי בפעולה.
ורק ביחס לקבוע הכבידה, הועלתה השערה שערכו המספרי עשוי להשתנות עם הזמן. רעיון זה נוסח לראשונה בשנת 1933 על ידי האסטרופיזיקאי האנגלי אדוארד מילן (אדוארד ארתור מילן, 1896-1950), ובשנת 1937 על ידי הפיזיקאי התיאורטי האנגלי המפורסם פול דיראק (פול דיראק, 1902-1984), במסגרת ה- המכונה "השערת מספרים גדולים", הציע כי קבוע הכבידה יורד עם הזמן הקוסמולוגי. השערת דיראק תופסת מקום חשוב בהיסטוריה של הפיזיקה התיאורטית של המאה העשרים, אך לא ידוע עליה אישור ניסיוני אמין יותר או פחות.
קשור ישירות לקבוע הכבידה הוא מה שמכונה "קבוע קוסמולוגי", שהופיע לראשונה במשוואות תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. לאחר שגילה שמשוואות אלו מתארות יקום מתרחב או מתכווץ, איינשטיין הוסיף באופן מלאכותי "מונח קוסמולוגי" למשוואות, מה שהבטיח את קיומם של פתרונות נייחים. המשמעות הפיזית שלו הצטמצמה לקיומו של כוח המפצה על כוחות הכבידה האוניברסליים ומתבטא רק בקנה מידה גדול מאוד. כישלון המודל של היקום הנייח הפך ברור לאיינשטיין לאחר פרסום עבודותיהם של האסטרונום האמריקני אדווין האבל (אדווין פאוול האבל, 1889–1953) והמתמטיקאי הסובייטי אלכסנדר פרידמן, שהוכיח את תקפותו של מודל אחר, לפיו היקום מתרחב עם הזמן. ב-1931 נטש איינשטיין את הקבוע הקוסמולוגי, וכינה אותו באופן פרטי "הטעות הגדולה ביותר בחייו".
הסיפור, לעומת זאת, לא הסתיים בכך. לאחר שנקבע כי התפשטות היקום מואצת בחמשת מיליארד השנים האחרונות, שאלת קיומו של אנטי-כבידה שוב הפכה לרלוונטית; יחד איתו, הקבוע הקוסמולוגי חזר לקוסמולוגיה. במקביל, קוסמולוגים מודרניים מקשרים את האנטי-כבידה עם נוכחותה של מה שמכונה "אנרגיה אפלה" ביקום.
גם קבוע הכבידה, הקבוע הקוסמולוגי וגם "אנרגיה אפלה" היו נושא לדיון אינטנסיבי בכנס שנערך לאחרונה בלונדון אימפריאל קולג' על בעיות לא פתורות במודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה. אחת ההשערות הרדיקליות ביותר נוסחה בדו"ח של פיליפ מנהיים, פיזיקאי חלקיקים מאוניברסיטת קונטיקט בסטוררס. למעשה, מנהיים הציע לשלול מקובוע הכבידה את המעמד של קבוע אוניברסלי. לפי השערתו, "ערך הטבלה" של קבוע הכבידה נקבע במעבדה הממוקמת על פני כדור הארץ, וניתן להשתמש בו רק בתוך מערכת השמש. בסולם הקוסמולוגי, לקבוע הכבידה יש ערך מספרי שונה, קטן בהרבה, אותו ניתן לחשב בשיטות של פיזיקת החלקיקים היסודיים.
בהציגו את השערתו לעמיתיו, ביקש מנהיים קודם כל לקרב את פתרון "בעיית הקבוע הקוסמולוגי", הרלוונטית מאוד לקוסמולוגיה. המהות של בעיה זו היא כדלקמן. על ידי רעיונות מודרניים, הקבוע הקוסמולוגי מאפיין את קצב ההתפשטות של היקום. ערכו המספרי, שנמצא תיאורטית בשיטות של תורת השדות הקוונטיים, גבוה פי 10-120 מזה המתקבל מתצפיות. הערך התיאורטי של הקבוע הקוסמולוגי כל כך גדול, שבקצב ההתפשטות המתאים של היקום, כוכבים וגלקסיות פשוט לא היו מספיקים להיווצר.
מנהיים מבסס את השערתו בדבר קיומם של שני קבועי כבידה שונים - עבור מערכת השמש ועבור סולמות בין-גלקטיים - באופן הבא. לדבריו, מה שנקבע בפועל בתצפיות הוא לא הקבוע הקוסמולוגי עצמו, אלא כמות כלשהי פרופורציונלית למכפלת הקבוע הקוסמולוגי וקבוע הכבידה. הבה נניח שבסולמות בין-גלקטיות קבוע הכבידה קטן מאוד, בעוד ערכו של הקבוע הקוסמולוגי מתאים לזה המחושב והוא גדול מאוד. במקרה זה, המכפלה של שני קבועים עשויה בהחלט להיות ערך קטן, שאינו סותר תצפיות. "אולי הגיע הזמן להפסיק להתייחס לקבוע הקוסמולוגי כקטן", אומר מנהיים, "פשוט קבל את זה שהוא גדול ותמשיך משם". במקרה זה, "בעיית הקבוע הקוסמולוגי" נפתרת.
הפתרון של מנהיים נראה פשוט, אבל המחיר שיש לשלם עבורו גבוה מאוד. כפי שמציינת Zeeya Merali במאמר "שני קבועים טובים מאחד" שפורסם על ידי New scientist ב-28 באפריל 2007, על ידי הצגת שני ערכים מספריים שונים עבור קבוע הכבידה, מנהיים חייבת בהכרח לנטוש את המשוואות תיאוריה כלליתתורת היחסות של איינשטיין. בנוסף, השערת מנהיים מייתרת את המושג "אנרגיה אפלה" המקובלת על רוב הקוסמולוגים, שכן ערך קטן של קבוע הכבידה בסולמות קוסמולוגיים שווה ערך כשלעצמו להנחה של קיומה של אנטי-כבידה.
קית' הורן מהאוניברסיטה הבריטית של St. אנדרו (אוניברסיטת סנט אנדרו) מברך על ההשערה של מנהיים מכיוון שהיא משתמשת בעקרונות היסוד של פיזיקת החלקיקים: "זה מאוד אלגנטי, וזה יהיה פשוט נהדר אם זה יתברר כנכון." לפי הורן, במקרה זה, נוכל לשלב את פיזיקת החלקיקים ואת תורת הכבידה לתיאוריה אחת מאוד מושכת.
אבל לא כולם מסכימים איתה. New Scientist מצטט את הקוסמולוג טום שאנקס שאומר שכמה תופעות שמתאימות מאוד למודל הסטנדרטי, כמו מדידות עדכניות של ה-CMB ותנועת פולסרים בינאריים, לא צפויות להיות מוסברות באותה קלות בתיאוריה של מנהיים.
מנהיים עצמו אינו מכחיש את הבעיות שעומדות בפני ההשערה שלו, תוך שהוא מציין כי הוא רואה בהן הרבה פחות משמעותיות בהשוואה לקשיים של המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי: "מאות קוסמולוגים מפתחים אותו, ובכל זאת הוא אינו מספק ב-120 סדרי גודל ."
יש לציין כי מנהיים מצא מספר מסוים של תומכים שתמכו בו על מנת להוציא את הגרועים מכל. לגרוע מכל, הם ייחסו את ההשערה שהעלו ב-2006 פול שטיינהרדט (פול שטיינהרדט) מאוניברסיטת פרינסטון (אוניברסיטת פרינסטון) וניל טורוק (ניל טורוק) מקיימברידג' (אוניברסיטת קיימברידג'), לפיה היקום נולד ונעלם מעת לעת , ובכל אחד מהמחזורים (שנמשכים טריליון שנים) יש את המפץ הגדול שלו, ובמקביל בכל מחזור הערך המספרי של הקבוע הקוסמולוגי קטן יותר מאשר בקודמו. הערך הבלתי משמעותי ביותר של הקבוע הקוסמולוגי, שנרשם בתצפיות, אומר אם כן שהיקום שלנו הוא חוליה רחוקה מאוד בשרשרת ארוכה מאוד של עולמות מתעוררים ונעלמים...
לאחר לימוד קורס הפיזיקה במוחם של התלמידים נמצאים כל מיני קבועים והערכים שלהם. נושא הכבידה והמכניקה אינו יוצא מן הכלל. לרוב, הם לא יכולים לענות על השאלה איזה ערך יש לקבוע הכבידה. אבל הם תמיד יענו חד משמעית שזה קיים בחוק הכבידה האוניברסלית.
מההיסטוריה של קבוע הכבידה
מעניין לציין שאין כמות כזו בעבודתו של ניוטון. זה הופיע בפיזיקה הרבה יותר מאוחר. ליתר דיוק, רק בתחילת המאה התשע-עשרה. אבל זה לא אומר שהיא לא הייתה קיימת. רק שמדענים לא הגדירו את זה ולא ידעו את המשמעות המדויקת שלו. אגב, לגבי המשמעות. קבוע הכבידה מתעדן כל הזמן, שכן הוא שבר עשרוני עם מספר רב של ספרות אחרי הנקודה העשרונית, שלפניה אפס.
דווקא העובדה שהערך הזה מקבל ערך כה קטן, מסבירה מדוע פעולת כוחות הכבידה אינה מורגשת על גופים קטנים. רק בגלל המכפיל הזה, כוח המשיכה מתברר כזניח.
בפעם הראשונה, הפיזיקאי ג'י קוונדיש קבע מניסיון את הערך שלוקח קבוע הכבידה. וזה קרה בשנת 1788.
בניסויים שלו, נעשה שימוש במוט דק. הוא היה תלוי על חוט נחושת דק ואורכו היה כשני מטרים. לקצות מוט זה הוצמדו שני כדורי עופרת זהים בקוטר 5 ס"מ. לידם הונחו כדורי עופרת גדולים. הקוטר שלהם היה כבר 20 ס"מ.
כשהתקרבו כדורים גדולים וקטנים, המוט הסתובב. זה דיבר על המשיכה שלהם. מהמסות והמרחקים הידועים, כמו גם מכוח הפיתול הנמדד, ניתן היה לגלות במדויק למדי למה שווה קבוע הכבידה.
והכל התחיל בנפילה חופשית של גופים
אם גופים בעלי מסות שונות מונחים בחלל, הם ייפלו בו זמנית. בכפוף לנפילתם מאותו גובה ולתחילתה בו זמנית. ניתן היה לחשב את התאוצה שבה כל הגופים נופלים לכדור הארץ. התברר שהוא שווה בערך ל-9.8 מ'/ש' 2.
מדענים גילו שהכוח שבו הכל נמשך לכדור הארץ קיים תמיד. יתרה מכך, זה לא תלוי בגובה שאליו נע הגוף. מטר אחד, קילומטר או מאות קילומטרים. לא משנה כמה רחוק הגוף נמצא, הוא יימשך לכדור הארץ. שאלה נוספת היא איך הערך שלו יהיה תלוי במרחק?
לשאלה זו מצא הפיזיקאי האנגלי I. Newton את התשובה.
הפחתת כוח המשיכה של גופים עם המרחק שלהם
מלכתחילה, הוא הציג את ההנחה שכוח הכבידה הולך ופוחת. וערכו עומד ביחס הפוך למרחק בריבוע. יתר על כן, יש לספור את המרחק הזה ממרכז כדור הארץ. ועשה כמה חישובים תיאורטיים.
ואז המדען הזה השתמש בנתונים של אסטרונומים על תנועת הלוויין הטבעי של כדור הארץ - הירח. ניוטון חישב באיזו תאוצה הוא סובב סביב כוכב הלכת, וקיבל את אותן תוצאות. הדבר העיד על אמיתות נימוקיו ואיפשר לנסח את חוק הכבידה האוניברסלית. קבוע הכבידה עדיין לא היה בנוסחה שלו. בשלב זה היה חשוב לזהות את התלות. וזה מה שנעשה. כוח הכבידה יורד ביחס הפוך למרחק בריבוע ממרכז כוכב הלכת.
לחוק הכבידה האוניברסלית
ניוטון המשיך לחשוב. מכיוון שכדור הארץ מושך את הירח, אז היא עצמה חייבת להימשך לשמש. יתרה מכך, כוחה של משיכה כזו חייב גם לציית לחוק המתואר על ידו. ואז ניוטון הרחיב את זה לכל גופי היקום. לפיכך, שם החוק כולל את המילה "אוניברסלי".
כוחות המשיכה האוניברסלית של גופים מוגדרים כפרופורציונליים למכפלת המסות והפוכים לריבוע המרחק. מאוחר יותר, כאשר נקבע המקדם, לבשה נוסחת החוק את הצורה הבאה:
- F t \u003d G (m 1 * x m 2): r 2.
הוא מכיל את הכינויים הבאים:
הנוסחה של קבוע הכבידה נובעת מחוק זה:
- G \u003d (F t X r 2): (m 1 x m 2).
ערכו של קבוע הכבידה
עכשיו הגיע הזמן למספרים ספציפיים. מכיוון שמדענים כל הזמן משכללים ערך זה, בשנים שונות הם אומצו רשמית מספרים שונים. לדוגמה, על פי נתונים לשנת 2008, קבוע הכבידה הוא 6.6742 x 10 -11 Nˑm 2 /kg 2. עברו שלוש שנים - והקבוע חושב מחדש. כעת קבוע הכבידה שווה ל-6.6738 x 10 -11 Nˑm 2 /kg 2. אבל עבור תלמידי בית ספר, בפתרון בעיות, מותר לעגל אותו לערך כזה: 6.67 x 10 -11 Nˑm 2 /kg 2.
מה המשמעות הפיזית של המספר הזה?
אם נחליף מספרים ספציפיים בנוסחה הניתנת לחוק הכבידה האוניברסלית, אז תתקבל תוצאה מעניינת. במקרה מסוים, כאשר מסות הגופים שוות ל-1 קילוגרם, והם ממוקמים במרחק של מטר, כוח הכבידה מתברר כשווה למספר עצמו הידוע בקבוע הכבידה.
כלומר, המשמעות של קבוע הכבידה היא שהוא מראה באיזה כוח ימשכו גופים כאלה למרחק של מטר אחד. המספר מראה כמה קטן כוח זה. אחרי הכל, זה עשרה מיליארד פחות מאחד. אי אפשר אפילו לראות אותה. גם אם הגופות יוגדלו פי מאה, התוצאה לא תשתנה משמעותית. זה עדיין יישאר הרבה פחות מאחדות. לכן, מתברר מדוע כוח המשיכה מורגש רק באותם מצבים אם לפחות לגוף אחד יש מסה עצומה. למשל, כוכב לכת או כוכב.
איך קבוע הכבידה קשור להאצת הנפילה החופשית?
אם נשווה שתי נוסחאות, שאחת מהן תהיה לכוח הכבידה, והשנייה לחוק הכבידה של כדור הארץ, נוכל לראות תבנית פשוטה. קבוע הכבידה, מסת כדור הארץ וריבוע המרחק ממרכז כוכב הלכת מהווים גורם השווה להאצת הנפילה החופשית. אם נכתוב זאת בנוסחה, נקבל את הדברים הבאים:
- g = (G x M): r 2 .
יתר על כן, הוא משתמש בסימון הבא:
אגב, ניתן למצוא את קבוע הכבידה גם מהנוסחה הזו:
- G \u003d (g x r 2): M.
אם אתה רוצה לדעת את האצת הנפילה החופשית בגובה מסוים מעל פני כדור הארץ, אז הנוסחה הבאה תהיה שימושית:
- g \u003d (G x M): (r + n) 2, כאשר n הוא הגובה מעל פני כדור הארץ.
בעיות הדורשות ידע על קבוע הכבידה
משימה אחת
מַצָב.מהי תאוצת הנפילה החופשית באחד מכוכבי הלכת מערכת השמשכמו על מאדים? ידוע שהמסה שלו היא 6.23 10 23 ק"ג, ורדיוס כוכב הלכת הוא 3.38 10 6 מ'.
פִּתָרוֹן. עליך להשתמש בנוסחה שנכתבה עבור כדור הארץ. פשוט תחליף בו את הערכים שניתנו במשימה. מסתבר שתאוצת הכבידה תהיה שווה למכפלה של 6.67 x 10 -11 ו-6.23 x 10 23, שאז צריך לחלק בריבוע 3.38 10 6 . במונה, הערך הוא 41.55 x 10 12. והמכנה יהיה 11.42 x 10 12. המעריכים יקטן, אז בשביל התשובה מספיק לברר את המנה של שני מספרים.
תשובה: 3.64 מ'/שניה 2 .
משימה שניה
מַצָב.מה צריך לעשות עם גופים כדי להפחית את כוח המשיכה שלהם פי 100?
פִּתָרוֹן. מכיוון שלא ניתן לשנות את מסת הגופים, הכוח יקטן עקב סילוקם זה מזה. מאה מתקבלת בריבוע 10. זה אומר שהמרחק ביניהם צריך להיות גדול פי 10.
תשובה: העבר אותם למרחק גדול מהמקור 10 פעמים.
(קבוע כבידה - גודל לא קבוע)
חלק 1
איור.1
בפיזיקה, יש רק קבוע אחד הקשור לכבידה, והוא קבוע הכבידה (G). קבוע זה מתקבל בניסוי ואין לו קשר עם קבועים אחרים. בפיזיקה זה נחשב בסיסי.
לקבוע זה יוקדשו כמה מאמרים, שם אנסה להראות את כשל עמידותו ואת היעדר היסוד תחתיו. ליתר דיוק, יש בסיס תחתיו, אבל שונה במקצת.
מהי המשמעות של כוח המשיכה הקבוע, ומדוע הוא נמדד בקפידה כזו? כדי להבין, יש צורך לחזור שוב לחוק הכבידה האוניברסלית. מדוע פיסיקאים קיבלו את החוק הזה, יתר על כן, הם החלו לקרוא לו "ההכללה הגדולה ביותר שהושגה על ידי המוח האנושי". הניסוח שלו פשוט: שני גופים פועלים זה על זה בכוח שהוא ביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם וביחס ישר למכפלת המסות שלהם.
Gהוא קבוע הכבידה
מנוסחה פשוטה זו נובעות מסקנות רבות מאוד לא טריוויאליות, אך אין תשובה לשאלות היסוד: כיצד ובשל מה פועל כוח הכבידה?
חוק זה אינו אומר דבר על מנגנון הופעת כוח המשיכה, עם זאת, הוא עדיין בשימוש וברור שישמש במשך יותר ממאה שנה.
חלק מהמדענים נוזפים בו, אחרים מעוררים בו אליל. גם אלה וגם אחרים לא יכולים בלעדיו, כי. יותר טוב מכל מה שהם הגיעו אליו ולא נפתחו. מתרגלים, בחקר החלל, יודעים את חוסר השלמות של החוק הזה, משתמשים בטבלאות תיקון, המתעדכנות בנתונים חדשים לאחר כל שיגור של חללית.
תיאורטיקנים מנסים לתקן את החוק הזה על ידי הכנסת תיקונים, מקדמים נוספים, חיפוש ראיות לקיומה של טעות בממד של קבוע הכבידה G, אבל שום דבר לא משתרש, והנוסחה של ניוטון נשארת בצורתה המקורית.
בהתחשב במגוון העמימות ואי הדיוקים בחישובים באמצעות נוסחה זו, עדיין יש לתקן אותה.
הביטוי של ניוטון ידוע ברבים: "כוח המשיכה הוא אוניברסלי", כלומר, הכבידה היא אוניברסלית. החוק הזהמתאר את האינטראקציה הגרביטציונית בין שני גופים, בכל מקום שהם נמצאים ביקום; זו תמצית האוניברסליזם שלו. קבוע הכבידה G, הכלול במשוואה, נחשב כקבוע אוניברסלי של הטבע.
הקבוע G מאפשר לנו לבצע חישובים מספקים בתנאים יבשתיים, מבחינה לוגית, הוא צריך להיות אחראי על האינטראקציה האנרגטית, אבל מה לקחת מהקבוע.
דעתו של מדען (V.E. Kostyushko), שערך ניסויים אמיתיים כדי להבין ולחשוף את חוקי הטבע, היא מעניינת, המשפט: "לטבע אין לא חוקים פיזיקליים, וגם לא קבועים פיזיקליים עם ממדים שהומצאו על ידי האדם." "במקרה של קבוע הכבידה, התבססה הדעה במדע שהערך הזה נמצא ומוערך מספרית. אלא שמשמעותו הפיזית הספציפית טרם נקבעה, וזאת בעיקר משום שלמעשה, כתוצאה מפעולות לא נכונות, או יותר נכון טעויות גסות, התקבל ערך חסר משמעות וחסר משמעות לחלוטין בעל ממד אבסורדי.
לא הייתי רוצה להעמיד את עצמי בעמדה כה קטגורית, אבל עלינו להבין סוף סוף את המשמעות של הקבוע הזה.
נכון לעכשיו, הערך של קבוע הכבידה מאושר על ידי הוועדה לקבועים פיזיקליים בסיסיים: G=6.67408·10 -11 m³/(kg·s²) [KODATA 2014] . למרות העובדה שהקבוע הזה נמדד בקפידה, הוא אינו עומד בדרישות המדע. העניין הוא שאין התאמה מדויקת של התוצאות בין מדידות דומות שבוצעו במעבדות שונות בעולם.
כפי שמציינים מלניקוב ופרונין: "מבחינה היסטורית, כוח הכבידה הפך לנושא הראשון מחקר מדעי. למרות שחלפו יותר מ-300 שנים מאז הופעת חוק הכבידה, שאנו חייבים לניוטון, קבוע האינטראקציה הכבידה נותר הכי פחות מדויק שנמדד בהשוואה לכל השאר.
בנוסף, השאלה המרכזית לגבי עצם הכבידה ומהותה נותרת פתוחה. כידוע, חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון עצמו אומת בדיוק גדול בהרבה מהדיוק של הקבוע G. המגבלה העיקרית על הקביעה המדויקת של כוחות הכבידה מוטלת על ידי קבוע הכבידה, ומכאן תשומת הלב הקרובה אליו.
זה דבר אחד לשים לב, ודבר אחר לגמרי - דיוק צירוף המקרים של התוצאות בעת מדידת G. בשתי המדידות המדויקות ביותר, השגיאה יכולה להגיע לסדר גודל של 1/10000. אבל כאשר המדידות בוצעו בנקודות שונות על פני כדור הארץ, הערכים עלולים לעלות על השגיאה הניסויית בסדר גודל או יותר!
איזה מין קבוע זה, כשיש פיזור עצום כל כך של קריאות במהלך המדידות שלו? או אולי זה בכלל לא קבוע, אלא מדידה של כמה פרמטרים מופשטים. או שמא המדידות משולבות על ידי הפרעות לא ידועות לחוקרים? כאן מופיעה קרקע חדשה להשערות שונות. כמה מדענים מתייחסים לשדה המגנטי של כדור הארץ: "ההשפעה ההדדית של שדות הכבידה והמגנטים של כדור הארץ מובילה לכך שכוח המשיכה של כדור הארץ יהיה חזק יותר באותם מקומות שבהם השדה המגנטי חזק יותר". חסידי דיראק טוענים שקבוע הכבידה משתנה עם הזמן, וכן הלאה.
חלק מהשאלות מוסרות מחוסר ראיות, בעוד שאחרות מופיעות וזהו תהליך טבעי. אבל חרפה כזו לא יכולה להימשך ללא הגבלת זמן, אני מקווה שהמחקר שלי יעזור לבסס כיוון לכיוון האמת.
הראשון שזכה לראשוניות הניסוי במדידת הכבידה הקבועה היה הכימאי האנגלי הנרי קוונדיש, שב-1798 יצא לקבוע את צפיפות כדור הארץ. לניסוי כה עדין, הוא השתמש במאזן פיתול שהומצא על ידי ג'יי מישל (המוצג כעת במוזיאון הלאומי של בריטניה הגדולה). קוונדיש השווה את תנודות המטוטלת של גוף מבחן בהשפעת כוח המשיכה של כדורים בעלי מסה ידועה בשדה הכבידה של כדור הארץ.
נתונים ניסויים, כפי שהתברר מאוחר יותר, היו שימושיים לקביעת G. התוצאה שהתקבלה על ידי קוונדיש היא פנומנלית, שונה ב-1% בלבד מזו המקובלת כיום. יש לציין איזה הישג גדול זה היה בתקופתו. במשך יותר ממאתיים שנה, מדע הניסוי התקדם ב-1% בלבד? זה לא ייאמן, אבל נכון. יתרה מכך, אם לוקחים בחשבון תנודות וחוסר האפשרות להתגבר עליהן, ערך G מוקצה באופן מלאכותי, מסתבר שלא התקדמנו כלל בדייקנות המדידות מאז תקופת קוונדיש!
כן! לא התקדמנו לשום מקום, המדע נמצא בהשתטחות - לא מבין את כוח המשיכה!
מדוע למעשה המדע לא התקדם בדיוק של מדידת הקבוע הזה במשך יותר משלוש מאות שנים? אולי הכל קשור לכלי שבו משתמש קוונדיש. מאזניים פיתולים - המצאה של המאה ה-16, נותרו בשירות מדענים עד היום. כמובן, זה כבר לא אותו איזון פיתול, תראה את התמונה, איור. 1. למרות הפעמונים והשריקות של המכניקה והאלקטרוניקה המודרנית, בתוספת ואקום, ייצוב טמפרטורה, התוצאה כמעט לא זזה. ברור שמשהו כאן לא בסדר.
אבותינו ובני דורנו עשו ניסיונות שונים למדוד את G בקווי רוחב גיאוגרפיים שונים ובמקומות המדהימים ביותר: מכרות עמוקים, מערות קרח, בארות, במגדלי טלוויזיה. העיצובים של מאזני פיתול שופרו. מדידות חדשות, על מנת להבהיר את קבוע הכבידה, חזרו ואומתו. ניסוי המפתח הוקם בלוס אלמוס ב-1982 על ידי ג'י לותר ו-וו.טאולר. ההתקנה שלהם הזכירה מאזני פיתול של קוונדיש, עם כדורי טונגסטן. התוצאה של מדידות אלה, 6.6726(50)?10 -11 מ' 3 ק"ג -1 s -2 (כלומר 6.6726 ± 0.0005), נלקחה כבסיס לנתונים שהומלצו על ידי הוועדה למדע וטכנולוגיה (CODATA) בשנת 1986.
הכל היה רגוע עד 1995, כאשר קבוצת פיזיקאים במעבדת ה-PTB הגרמנית בבראונשווייג, תוך שימוש במערך שונה (איזונים שצפו על פני השטח של כספית, עם כדורים בעלי מסה גדולה), השיגה ערך G (0.6 ± 0.008)% יותר מהמקובל בדרך כלל. כתוצאה מכך, בשנת 1998 גדלה טעות המדידה של G כמעט בסדר גודל.
כיום, נידונים באופן פעיל ניסויים לבדיקת חוק הכבידה האוניברסלית, המבוסס על התערבות אטומית, למדידת מסות בדיקה מיקרוסקופיות ועוד בדיקה נוספת של חוק הכבידה הניוטוני במיקרוקוסמוס.
נעשו ניסיונות להשתמש בשיטות אחרות למדידת G, אך המתאם בין המדידות נותר כמעט ללא שינוי. תופעה זו נקראת כיום הפרה של חוק הריבוע ההפוך או "הכוח החמישי". הכוח החמישי כולל כעת גם חלקיקים (שדות) מסוימים של ההיגס - חלקיקי אלוהים.
נראה שהם הצליחו לתקן את החלקיק האלוהי, או ליתר דיוק, לחשב אותו, שכן הפיזיקאים שהשתתפו בניסוי במאיץ ההדרונים הגדול (LHC) (LHC) הציגו לעולם את המסר באופן סנסציוני.
הסתמכו על הבוזון של היגס, אבל אל תטעו בעצמכם!
אז מה זה הקבוע המסתורי הזה שהולך מעצמו, ובשום מקום בלעדיו?
קראנו את המשך המאמר