|
|
Ю.А. Гужеля
«Считать правильным всякое утверждение,
полученное из опыта с помощью индукции,
до тех пор пока не будут обнаружены другие
явления, которые ограничивают это утверждение
Исаак Ньютон (четвёртое правило)
Аннотация
В данной статье проведено исследование закона всемирного тяготения и второго закона Ньютона. Показаны недостаточное экспериментальное обоснование этих законов и ограниченность области их применения. Предложены поправки к закону всемирного тяготения и второму закону Ньютона и выведены новые формулы, расширяющие область действия упомянутых законов. Предложены эксперименты для проверки области действия этих законов, в условиях отличных от земных. Также проведено исследование Ньютоновского принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс. Это позволило выяснить структуру гравитационного поля вблизи поверхности Земли и других, больших гравитирующих масс.
Оглавление
1. Введение
2. Принцип эквивалентности
2.1. Геометрические характеристики гравитационного поля Земли, в близи её поверхности
2.1.2. Проекция потока гравитационного излучения на горизонтальную плоскость
2.1.3. Проекция потока гравитационного излучения на вертикальную плоскость
2.2. Геометрические характеристики гравитационного поля Земли на большом удалении от поверхности
2.3. Оценка достоверности принципа эквивалентности
2.4. Выводы к главе
3. Второй закон Ньютона (поправки к закону)
3.1. Выводы к главе
4. Ньютонова гипотеза всемирного тяготения
Выводы к главе
5. Методика экспериментов и схемы опытных установок
6. Общие выводы
7. Список использованной литературы
1. Введение
Уже во времена Галилея механика была сложившейся (древней) наукой, тем не менее, Галилею и позднее Ньютону удалось её существенно обновить и дополнить. С высоты нашего времени всё это кажется естественным – безусловно, механика того времени нуждалась в изменении.
Вооружённые диалектикой и теорией познания, мы также легко согласимся с утверждением, что абсолютной истины достичь невозможно, можно лишь к ней приблизиться, и, значит, периодический анализ и поправки теории неизбежны.
Однако, вряд ли, сейчас найдётся хотя бы несколько специалистов согласных с утверждением о том, что современная механика нуждается в существенном уточнении. И, тем не менее, это так.
С чем же связана необходимость этого, очередного, уточнения?
Прежде всего, с недостаточным опытным обоснованием основного закона механики и недостаточным опытным обоснованием небесной механики. Также необходимо разобраться со статусом силы инерции, которую считают псевдосилой и с удивительным Принципом эквивалентности гравитационной и инерционной масс.
Развитие техники и освоение космического пространства, позволяет сейчас (в полном соответствии с четвёртым правилом Ньютона) проверить и расширить экспериментальную базу, на которой построены классическая и небесная механика.
2. Принцип эквивалентности
Вопреки общепринятой практике, не будем недостатки Ньютоновой теории объяснять с помощью Специальной теории относительности.
Попробуем найти объяснение фактам, противоречащим законам механики, не отрекаясь от простых и ясных Ньютоновских понятий массы, пространства, времени. Будем считать, как и Ньютон, пространство и время величинами независимыми, единицы измерения которых, будучи однажды выбранными, изменяться не должны, поскольку мы не хотим запутать самих себя.
Начнём с того, что уже тысячу раз делалось до нас: попробуем понять физическую сущность процессов, происходящих при движении тел в диапазоне скоростей, где пока не замечено никаких отклонений от законов Ньютона. А ключом к пониманию сущности этих процессов послужит нам рассмотрение природы силы инерции и исследование так называемого «Принципа эквивалентности гравитационной и инерционной масс».
Принцип эквивалентности, на сегодняшний день, считается одним из фундаментальных законов физики, считается, что отклонения от этого принципа до сих пор не обнаружено [Л3].
Пристальное внимание физиков к принципу эквивалентности и всевозможные проверки его выполнения привели к тому, что в настоящее время различают уже 3-и (только основных) Принципа эквивалентности [Л 5], это:
- «Ньютоновский принцип эквивалентности» , который утверждает, что для любого тела инертная масса равна его гравитационной массе.
- «Эйнштейновский принцип эквивалентности» (ЭПЭ), утверждает, что СПЭ справедлив и что результат любого негравитационного эксперимента не зависит ни от скорости (свободно падающего) прибора, ни от того, где и когда во Вселенной он проводится.
- «Сильный принцип эквивалентности» (ССПЭ) утверждает, что СПЭ справедлив как для пробных тел, так и для гравитирующих тел, что результат любого контрольного эксперимента, гравитационного или не гравитационного, не зависит от скорости свободно падающего прибора и от того, где и когда во Вселенной этот эксперимент проводится» [Л.3].
Другая формулировка этого принципа гласит, что все тела в гравитационном поле падают с одним и тем же ускорением, вне зависимости от их массы и внутреннего строения.
Есть ещё одна формулировка этого принципа: траектория незаряженного пробного тела зависит только от начальной точки его расположения и его начальной скорости и не зависит от его внутренней структуры.
Ньютоновский принцип эквивалентности теперь называют также слабым принципом эквивалентности (СПЭ).
Все эти принципы эквивалентности характеризуют важнейшие свойства гравитации, между ними много общего, но строго логически вывести один принцип из другого нельзя и каждый из них требует персональной экспериментальной проверки. Более того, даже две первые формулировки слабого принципа эквивалентности (СПЭ) строго не согласуются между собой, но зато и та и другая подвергались самостоятельным экспериментальным проверкам.
Среди всех этих принципов эквивалентности особый интерес представляет Ньютоновский принцип эквивалентности, то есть принцип эквивалентности гравитационной и инерционной масс.
Существо этого принципа можно сформулировать ещё и так: закон движения тела не зависит от направления и природы силы, действующей на это тело; то есть ускорение тела под действием силы, определяется только величиной силы и не зависит от направления действия и природы этой силы.
Например, если на тело воздействовать силой сжатой пружины или порохового заряда, равной по величине силе притяжения этого тела к Земле, то тело приобретёт ускорение от действия этой силы, равное по величине ускорению свободного падения.
Принцип эквивалентности часто находят удивительным. И удивление здесь вызывает то обстоятельство, что характер движения тела под действием гравитационной силы, всё же, существенно отличается от характера движения под действием всех других, не гравитационных сил.
Движение под действием силы тяжести, так называемое «свободное падение», характеризуется отсутствием внутренних напряжений в падающем теле, и поэтому в свободно падающей системе невозможно опытным путём обнаружить, что система движется с ускорением. Напротив, при движении тела под действием других сил, например, под действием силы сжатой пружины, движущееся с ускорением тело испытывает на себе воздействие силы сопротивления; внутри ускоряющегося тела возникают напряжения, которые можно зафиксировать опытным путём. Воздействие на себе силы инерции также явственно ощущает и испытатель, находящийся внутри ускоряющейся системы. И, тем не менее, если по величине сила тяжести равна этой другой силе, то величины ускорения тела под действием этих сил будут равны между собой. Это и удивляет.
Различный характер движения под действием гравитации и всех прочих сил принято объяснять различными свойствами движущегося тела (массы). При движении тела под действием силы тяжести масса не оказывает видимого сопротивления и поэтому массу, в этом случае, называют гравитационной или пассивной. При движении массы под действием не гравитационных сил возникает сила инерции, противодействующая ускорению и, в этом случае, массу называют инерционной. Таким образом, одно и тоже тело как бы имеет и гравитационную и инерционную массы, и, как утверждает принцип эквивалентности, эти массы всегда равны между собой.
Логично, было бы, сделать вывод, что гравитационная и инерционная массы это одно и то же, но принцип говорит только об эквивалентности, как бы допуская возможность существования в одном теле двух различных масс, обладающих различными свойствами и, в тоже время, равных по величине.
Безусловно, идея о том, что гравитационная и инерционная массы это одно и тоже, наиболее естественна и логична; и для того, чтобы она получила подавляющее преимущество перед идеей эквивалентности масс, необходимо лишь объяснить особенности движения тел под действием силы тяжести не различными свойствами масс, а чем-то другим.
И сделать это вполне возможно. Особенности эти довольно убедительно можно объяснить исходя из общих свойств среды, в которой происходит движение тел, как под действием гравитационных сил, так и всех других (не гравитационных сил), а также характерным свойством гравитационной силы. Под характерным свойством гравитационной силы здесь следует понимать распределённый характер приложения этой силы.
Действительно, гравитационное поле проникает везде и воздействует на каждую бесконечно малую частицу вещества одинаково, не зависимо от того, где находится эта частица, на поверхности или в самом центре тела. В этом нас убеждают опыты по проверке принципа эквивалентности как с пробными телами, то есть, опыты по проверке слабого принципа эквивалентности, а также опыты с большими гравитирующими массами (опыты по проверке сильного принципа эквивалентности). Все эти эксперименты показывают, что все тела падают с одинаковым ускорением, в пределах погрешности экспериментов, независимо от величины массы и от её химического состава.
Очень важно правильно определить эту среду, которая, воздействуя на движущееся тело, определяет и закон, и характер движения тела. И здесь у нас нет особого выбора: массивные среды необходимо отбросить, так как они слишком локальны. Магнитные и электрические поля воздействуют избирательно на различные материалы, и лишь гравитационное поле, согласно экспериментальным данным, воздействует на все химические элементы и вещества одинаково. В реальности же существования гравитационного поля сомневаться не приходится.
Понимание единой сущности гравитационных и инерционных процессов окончательно овладеет нами, если мы сделаем одно естественное предположение о том, что гравитационное поле не только разгоняет тела по направлению к центру гравитирующей массы, но также оказывает и сопротивление этим ускоряющимся телам, независимо от того, под действием какой силы эти тела разгоняются. При этом, сила сопротивления, действующая со стороны гравитационного поля, - это не что иное, как хорошо известная нам сила инерции.
Свойства силы инерции к настоящему времени изучены достаточно хорошо, если не считать одного досадного недоразумения: неверного понимания природы этой силы и, как следствие, непризнания её реальности. Академическая наука считает силу инерции псевдосилой, то есть, не существующей, вымышленной силой. Между тем, опытных данных, доказывающих реальность силы инерции, более чем достаточно. Одна из разновидностей силы инерции – центробежная сила, неоднократно доказывала свою реальность, разрушением лопаток турбокомпрессоров. В прикладных науках и в технике с силой инерции давно уже считаются как с самой настоящей реальной силой.
Все дальнейшие рассуждения будут строиться на признании реальности силы инерции, и это вполне естественно. Ведь, среда, которая создаёт силу инерции, определена – это гравитационное поле. Объекты, на которые воздействует эта сила, также определены – это тела, движущиеся с ускорением. Характер приложения этой силы нам уже тоже ясен – это распределённый по массе характер приложения. То есть, мы знаем всё, что положено, чтобы придать силе инерции статус реальной силы.
Общеизвестно, что при условии отсутствия массивных сред, при ускоренном движении тела под действием силы, сила инерции равна по величине действующей силе и противоположно направлена. Этот факт подметил и сформулировал ещё Даламбер. Такая трактовка ускоренного движения тела получила название «Принципа Даламбера».
К сожалению, физическая сущность этого принципа академической наукой нивелируется – принцип считается просто математическим приёмом, облегчающим вычисления [Л 4].
На самом деле, этот принцип, отображает реальный физический процесс, и потому является физическим законом.
Исходя из такого понимания физических процессов, происходящих при движении тел, уже довольно просто объяснить особенности свободного падения тел.
При свободном падении тела, как и при всяком другом ускоренном движении, со стороны гравитационного поля на тело действует сила сопротивления, то есть сила инерции. Но сила инерции, так же как и сила тяжести, по характеру приложения является силой распределённой по массе. И, поскольку, согласно экспериментальным данным, сила инерции всегда равна действующей силе, то эти две силы уравновешиваются. Благодаря одинаковому характеру приложения, эти две силы уравновешиваются в каждой бесконечно малой частице массы. Поэтому, в свободно падающем теле отсутствуют внутренние напряжения, и в свободно падающей системе у испытателя возникает ощущение полного отсутствия сил.
Невозможность опытным путём зафиксировать наличие внутренних напряжений в свободно падающем теле, является доказательством того, что природа силы инерции и силы тяжести одна и та же, что обе эти силы создаются гравитационным полем, и что обе эти силы одинаково реальны.
Полный текст доступен в формате PDF (619Кб)
Ю.А. Гужеля, Актуальные проблемы механики // «Академия Тринитаризма», М.,
 |