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牛顿万有引力定律

2020-01-22 19:17:45 作者 : admin 来源 : 本站

牛顿万有引力定律

艾萨克•牛顿将炮弹的运动,水果从树上的掉落,乃至行星的运动全部联系到一起,实现了天和地的统一,这无疑是巨大的飞跃。他的万有引力定律可以解释世界上的许多物理现象,至今仍是物理学界最具影响力的思想之一。牛顿认为:所有物体彼此都是通过万有引力相互吸引的,并且引力的大小与距离的平方成反比。

据说牛顿是由于看到苹果落地才悟出万有引力定律的。不论该说法是真是假,牛顿确是将想象力从地面物体的运动进一步拓展到天体的运动,从而发现了万有引力定律。

牛顿认为所有物体都是受到某种加速力的作用才会被地面吸引。如果苹果从树上掉落是这种情况,那么树再高一些,情况又会如何呢?如果树一直长到月球,又会怎样为何月球不会像苹果那样落到地面上来呢?

所有物体都下落 牛顿的答案植根于他提出的将力、质量和加速度联系在一起的运动定律中。从炮筒中射出的炮弹要在落地之前飞行一段距离。如果炮弹的速度再快些,情况会如何呢?自然,炮弹飞行的距离会更远。若炮弹的飞行速度足够快,似至于飞行足够远之后,地平面在炮弹下开始弯曲,并与其保持一定的距离,如此,炮弹将落在何处呢?牛顿意识到炮弹将被拉向地球,并将在圆形轨道上运行。正如卫星一直受到地球的吸引力而围绕地球旋转,不会落到地面上一样。

当奥林匹克链球运动员做旋转运动的时候,维持铁饼旋转的力是铁链上的拉力。如果没有该拉力,铁饼将沿直线飞出,就如同运动员松手将其释放的那一瞬间。牛顿的炮弹理论跟铁饼理论道理相同,如果没有一个将炮弹拉回地球的向心力,炮弹将飞人宇宙空间。于是,牛顿进一步得出:月球之所以高悬于天空也是因为受到了看不见的万有引力的作用。如果没有万有引力,月球也将飞入宇宙空间。

平方反比定律 牛顿继续尝试对他的假设进行定量研究。在与罗伯特•胡克几次通信之后,牛顿提出万有引力遵从平方反比定律,即引力的大小跟物体之间距离的平方成反比。因此,如果你距离物体是之前的两倍,那么万有引力将变为之前的四分之一;同样地,如果某颗行星与太阳的距离是地球与太阳的距离的两倍,那么受到太阳的引力将是地球所受引力大小的四分之一,如果距离是三倍,那么引力就是九分之一。

牛顿定律预测了当行星在轨道上运行时,离太阳越近,运动速度越快。行星距太阳近,受到的万有引力就大,从而使运行速度加快。而速度加快后,行星就会再次远离太阳,于是速度又逐渐变慢。因此,牛顿是把之前开普勒的工作融合起来,得出一个深邃的理论。

普遍规律 牛顿随后又大胆推广,提出了适用于宇宙任何物体的万有引力理论。任何物体所施加的引力都与其质量成正比,且该引力与距离的平方成反比。因此,任何两物体之间均存在着引力。但由于万有引力是一种很弱的相互作用,我们只能在非常大的物体之间才能观察得到,例如太阳、地球和行星。

如果进一步观察,就可以发现地球表面的局部重力存在着大小上的细微差异。不同的大山和岩石密度不同,它们附近的重力大小也会有变化。因此,通过重力计就可了解地形、地表的结构。考古学家有时也通过微小的重力变化定位被掩埋的地下建筑。最近,科学家们已经利用航天卫星测量重力,来记录地球两极的冰覆盖量(消融速度),以及探讨大地震后地壳的变化。

回到17世纪,牛顿将其关于万有引力的所有思想都融合于一本书中,即<<自然哲学的数学原理>>。该书于1687年出版,至今仍被视作科学史上的一个里程碑。牛顿的万有引力定律不仅解释了行星和月球的运动,还解释了发射体、钟摆和苹果等的运动。此外他还解释了彗星的轨迹,潮汐的形成以及地轴的摆动等诸多现象。牛顿在万有引力定律方面的贡献使他成为有史以来最伟大的科学家之一。

牛顿的万有引力定律虽已历经数百年,至今仍是描述物体运动的基本定律之一。但科学不会停滞不前,20世纪的科学家们以此为基础不断将科学推向前进,尤其是爱因斯坦建立了广义相对论。但万有引力对于我们可见的大部分物体都还适用,对于太阳系中距离太阳很远的行星、彗星和小行星的行为来说,虽然其万有引力较弱,但仍然也是适用的。牛顿的万有引力定律的确有效,用它甚至可以预测出海王星(于1846年在比天王星更远的预测轨道上发现)的位置,但是它却无法解释水星的轨道。这时一种不同的新理论应运而生了。为解决万有引力很大的情形,例如靠近太阳、恒星和黑洞的情况,爱因斯坦提出了广义相对论。

关键词 : 牛顿

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