Если точнее, измерения показывают, что сила притяжения уменьшается пропорционально квадрату расстояния: если расстояние между объектами увеличилось в десять раз, сила притяжения уменьшится в сто раз.

Итак, теперь нам известно, что такое гравитация! Подведем итоги:

• Сила притяжения пропорциональна активной гравитационной массе притягивающего тела.

• Сила притяжения пропорциональна пассивной гравитационной массе притягиваемого тела.

• Сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Осталось уточнить размер силы для заданных массы и расстояния, чтобы представлять себе порядок величин. И результат довольно поразительный: сила, действующая между двумя объектами массой 1 кг, находящимися на расстоянии 1 м, в 10 миллиардов раз меньше, чем сила, необходимая, чтобы открыть дверь с хорошо смазанными петлями! Понятно, что притянуть прохожего на улице нам не удастся…

Частное значение этой силы, действующей между двумя объектами массой 1 кг на расстоянии 1 м, называется гравитационной постоянной и обозначается G: именно она является коэффициентом гравитационного взаимодействия, с помощью которого можно измерить силу притяжения, действующую на любое тело независимо от его массы и расстояния до него. G является одной из фундаментальных физических констант, чье значение может быть установлено без дополнительных пояснений.

ВЫРАЖЕНИЕ СИЛЫ ГРАВИТАЦИИ

Сила притяжения, осуществляемая телом с массой М на объект с массой m, находящийся на расстоянии d, выражается следующим образом:

Другое название силы притяжения

В предыдущих параграфах мы самым подробным образом рассмотрели понятие различных масс, но лишь вскользь упомянули понятие «вес».

Определение веса не так уж сложно: весом объекта называется сила, с которой он действует на поверхность земли, находясь в неподвижном состоянии. Однако эта сила практически полностью складывается из земного притяжения. Таким образом, можно приблизительно констатировать, что вес – это просто другое название силы притяжения.

В основном мы употребляем слово «вес», когда говорим об объектах, находящихся в непосредственной близости к поверхности планеты (в повседневной жизни), но употребляем понятие «сила притяжения», когда речь идет о космических объектах (спутниках, планетах, звездах).

Таким образом, когда мы говорим, что «весим» больше, чем кто-либо, это означает, что мы испытываем большую силу притяжения.

То есть понятие «вес» отличается от понятия «масса», как мы уже говорили, – если вы попадете на Луну, ваша масса останется прежней (этот параметр свойственен объекту); но вы будете «весить» меньше, потому что сила притяжения, действующая на вас, будет меньше.

Вернемся на Землю, где все нам привычнее. От чего же зависит вес объекта?

• разумеется, от его массы;

• от массы притягивающего тела, в данном случае Земли (она одинакова для любого объекта, расположенного на Земле);

• от гравитационной постоянной G, одинаковой для всех, как и указывает ее название;

• от расстояния между двумя взаимодействующими телами, в данном случае между Землей и объектом.

Каково это расстояние? 0 км – раз объект находится на поверхности Земли? Поскольку Земля огромна, ее масса понемногу распределена повсюду под нами, то есть определять расстояние до Земли не имеет смысла. Однако можно продемонстрировать (спасибо математике!), что все происходит так, будто масса Земли сосредоточена в ее центре. Но от центра Земли нас отделяет ее радиус, равный 6380 км, а это означает, что, если бы вся Земля целиком находилась от нас на расстоянии 6380 км, она действовала бы на нас с той же силой.

Таким образом, радиус Земли и есть то самое расстояние от Земли до объекта. И оно одинаково абсолютно для всех: даже если вы подниметесь на вершину Эвереста (8,8 км), вы почти не удалитесь от центра Земли (6389 км вместо 6380 км).

СТРАШНАЯ СТРЕЛКА ВЕСОВ

Встаньте на весы: что они показывают? Значение в килограммах, которое соответствует массе. Однако не стоит торопиться…

На самом деле весы испытывают на себе силу, с которой вы на них воздействуете (например, с помощью маленьких пружин, которые сжимаются слабее или сильнее, в зависимости от комплекции и роста человека). Однако сила, с которой вы действуете на весы, возникает из-за земного притяжения, что и является вашим весом. Таким образом, весы измеряют вес, а не массу, но почему же в таком случае они показывают результат в килограммах, а не в ньютонах?

Причина в том, что вес и масса связаны отношением P = mg. Но на Земле g = 10mc ², то есть между весом и массой добавляется коэффициент 10. Поэтому вместо того, чтобы показать 600 ньютонов (величину веса), весы покажут 60 кг (вашу массу). Коэффициент 10 в каком-то смысле заложен внутри весов.

Это значит, что ваши весы могут служить только на Земле, поскольку коэффициент g = 10 m/c² существует только на Земле! Отвезите весы на Луну, где сила тяжести в 6 раз слабее, и весы покажут 10 кг, потому что измеренный вес будет равняться 100 ньютонам.

Но не радуйтесь раньше времени, потому что этот результат ложный! Ваша масса по-прежнему равна 60 кг, просто ваш вес был поделен на 6.

В конечном итоге все эти параметры постоянны, за исключением массы объекта, которая зависит… от самого объекта! Также мы констатируем, что вес равняется произведению массы объекта m и константы g, единой для всех. Эта константа называется ускорением свободного падения. Она присуща любой планете и зависит, как мы увидели, от ее массы и ее радиуса.

Если обозначить вес буквой P, мы получим формулу P^→; = mg^→;.

Стрелка представляет собой вектор, чье направление следует уточнить: сила направлена к центру Земли, а значит, ускорение свободного падения тоже.

Ускорение свободного падения

Выражение веса P^→; = mg^→; очень похоже на выражение силы F^→; = ma^→;. Оно является верным для инерциальной системы отсчета, которой в первом приближении является земная система отсчета. Однако единственной силой, действующей на объект в свободном падении, является вес, то есть это можно записать как F^→; = P^→; или, используя двойное соотношение, ma^→; = mg^→;. Получается, что a^→; = g^→;. Таким образом, поле тяготения соответствует ускорению свободного падения объекта, каким бы он ни был. Поэтому величина g также называется ускорением свободного падения. Мы обнаруживаем, что все объекты, брошенные одновременно, падают с одинаковой скоростью, если на них действует только их вес.

Между тем g является константой, которую легко вычислить: на Земле она составляет примерно 10 м/с². Это означает, что в свободном падении на Земле скорость любого объекта каждую секунду возрастает на 10 м/с, то есть на 36 км/ч. То есть по прошествии 10 секунд объект движется уже со скоростью 360 км/ч!