Сила тяжести

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Cила тяжести mg складывается из гравитационного притяжения планеты GMm/r2 и центробежной силы инерции mω2a.

Си́ла тя́жести — сила, действующая на любое физическое тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела.

По определению, сила тяжести на поверхности планеты складывается из гравитационного притяжения планеты и центробежной силы инерции, вызванной суточным вращением планеты[1][2].

Остальные силы (например, притяжение Луны и Солнца) ввиду их малости не учитывают или изучают отдельно как временные изменения гравитационного поля Земли[3][4].

Ускорение, сообщаемое телу силой тяжести, называется ускорением свободного падения[5].

Сила тяжести очень важна для формирования структуры внутреннего строения Земли и тектонической эволюции её поверхности[6]. Без потенциальной энергии силы тяжести, непрерывно переходящей в кинетическую, круговорот вещества и энергии на Земле был бы невозможен[7].

Сила тяжести играет очень важную роль для жизни на Земле. Только благодаря ей у Земли есть атмосфера. У всех живых организмов с нервной системой есть рецепторы, определяющие величину и направление силы тяжести и служащие для ориентировки в пространстве. Наличие силы тяжести привело к возникновению у всех многоклеточных наземных организмов прочных скелетов, необходимых для её преодоления. У водных живых организмов силу тяжести уравновешивает гидростатическая сила[8].

Сила тяжести широко используется в технике. Она вращает роторы турбин ГЭС и перемещает вниз по наклонным путям вагонетки с грузами на горных предприятиях. Для преодоления силы тяжести при подъёме различных полезных грузов используются подъёмные машины[9]. Сила тяжести и принцип эквивалентности инертной и гравитационной массы используются для определения масс предметов путём их взвешивания на весах. Сила тяжести используется при отстойной сепарации газовых и жидких смесей и в некоторых типах часов.

Точные измерения силы тяжести и её градиента (гравиметрия) используются при исследовании внутреннего строения Земли и при гравиразведке различных полезных ископаемых[10].

Сферически симметричное тело[править | править код]

В соответствии с законом всемирного тяготения, сила гравитационного притяжения, действующая на материальную точку массой на поверхности сферически симметричного астрономического тела, имеющего массу , определяется соотношением:

где гравитационная постоянная, равная 6,67384(80)·10−11 м3·с−2·кг−1, а — радиус тела. Данное соотношение справедливо в предположении, что распределение массы по объёму тела сферически симметрично. В этом случае сила гравитационного притяжения направлена к центру тела.

Модуль центробежной силы инерции , действующей на материальную частицу, выражается формулой:

где — расстояние между частицей и осью вращения рассматриваемого астрономического тела, а угловая скорость его вращения. Центробежная сила инерции перпендикулярна оси вращения и направлена в сторону от неё.

Земля[править | править код]

Форма Земли (геоид) отличается от шарообразной и близка к сплюснутому эллипсоиду. В этом случае сила гравитационного притяжения, действующая на материальную точку массой , определяется более сложным выражением, чем ранее:

Здесь — элемент массы Земли, а и — радиус-векторы точки измерения и элемента Земли соответственно. Интегрирование при этом выполняется по всей массе Земли.

В векторной форме выражение для центробежной силы инерции можно записать в виде

где — вектор, перпендикулярный оси вращения и проведённый от неё к данной материальной точке, находящейся вблизи поверхности Земли.

При этом сила тяжести , как и раньше, равна сумме и :

Сила тяжести, действующая вблизи поверхности Земли, зависит от широты места и высоты его над уровнем моря. Приблизительное выражение для абсолютной величины силы тяжести в системе СИ имеет вид[5]:

Потенциальная энергия поднятого над Землей тела[править | править код]

Потенциальной энергией поднятого над Землей тела называется работа силы тяжести, необходимая для перемещения его в это положение, взятая с обратным знаком. При подъеме тела массой вертикально вверх на высоту от поверхности Земли сила тяжести совершает работу , где ускорение свободного падения. Поэтому потенциальная энергия тела: . Потенциальная энергия тела может иметь как положительные, так и отрицательные значения. Тело, находящееся на глубине от поверхности Земли обладает отрицательным значением потенциальной энергии [11].

При испарении воды с поверхности Земли солнечная радиация трансформируется в потенциальную энергию силы тяжести водяного пара в атмосфере. Затем при выпадении атмосферных осадков на сушу она переходит при стоке в кинетическую энергию и совершает огромную эрозионную работу в процессе переноса денудационного материала всей суши и делает возможным жизнь органического мира на Земле[12].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2005. — Т. I. Механика. — С. 372. — 560 с. — ISBN 5-9221-0225-7.
  2. Тарг С. М. Сила тяжести // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — С. 496. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
  3. Миронов В.С. Курс гравиразведки. — Л.: Недра, 1980. — c. 49
  4. Максимальное изменение силы тяжести, обусловленное притяжением Луны, составляет примерно м/с2, Солнца м/с2
    Миронов В.С. Курс гравиразведки. — Л.: Недра, 1980. — c. 71
  5. 1 2 Ускорение свободного падения // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — С. 245—246. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.
  6. Криволуцкий А. Е. Голубая планета. Земля среди планет. Географический аспект. — М.: Мысль, 1985. — С. 208.
  7. Криволуцкий А. Е. Голубая планета. Земля среди планет. Географический аспект. — М.: Мысль, 1985. — С. 289.
  8. П. Кемп, К. Армс Введение в биологию. — М.: Мир, 1988. — ISBN 5-03-001286-9. — Тираж 125000 экз. — С. 75
  9. Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 9.
  10. Миронов В.С. Курс гравиразведки. — Л.: Недра, 1980. — Тираж 5800 экз. — 543 с.
  11. Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Пономарева А.В. Факультативный курс физики. 8 класс. — М.: Просвещение, 1985. — Тираж 143 500 экз. — С. 151 - 152
  12. Криволуцкий А. Е. Голубая планета. Земля среди планет. Географический аспект. — М.: Мысль, 1985. — С. 307.