Небесна механіка Ньютона і закони руху небесних тіл

Спостереження і вимірювання Тихо Бразі дозволили його учневі, німецькому вченому Йоганну Кеплеру, зробити наступний крок в розвитку астрономії.

Геоцентрична система світу Птолемея і геліоцентрична система Коперника

Розраховуючи орбіту Марса, Кеплер виявив, що вона являє собою не окружність, як вважав Коперник і інші вчені, а еліпс. Спочатку він не поширював цей висновок на інші планети, але пізніше зрозумів, що не тільки Марс, а всі планети мають еліпсоподібну орбіту Таким чином був відкритий перший закон руху планет Кеплера. У сучасній формулюванні він звучить так: кожна планета Сонячної системи обертається по еліпсу, в одному з фокусів якого знаходиться Сонце.

Другий закон руху планет з’явився логічним наслідком першого. Ще до формулювання першого закону, спостерігаючи за переміщенням Марса, Кеплер помітив, що планета рухається тим повільніше, чим далі вона знаходиться від Сонця. Еліптична форма орбіти повністю пояснює цю особливість руху. За рівні проміжки часу пряма, що з’єднує планету з Сонцем, описує рівні площі – це другий закон Кеплера.

Другий закон пояснює зміну швидкості руху планети, але не дає ніяких розрахунків. Формула дозволяє обчислити, з якою швидкістю обертаються планети і який час займає їх шлях навколо Сонця, полягає в третій закон Кеплера.

Дослідження Кеплера поставили крапку в суперечці між системами світу Птолемея і Коперника. Він переконливо довів, що в центрі нашої системи знаходиться Сонце, а не Земля. Після Кеплера в науковому світі більше не робилися спроби реанімувати геоцентричну систему.

Точність трьох законів руху планет, відкритих Кеплером, підтвердили численні астрономічні спостереження. Тим не менш підстави і причини цих законів залишалися неясними до тих пір, поки в кінці XVII ст. не проявився геній Ньютона.

Всім відома історія про те, як Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння: йому на голову впало яблуко, і Ньютон зрозумів, що яблуко притягнула до себе Земля. У розширеній версії цієї легенди є ще і Місяць, на яку дивився вчений, сидячи під яблунею.

Після падіння яблука Ньютона усвідомив, що сила, що змусила яблуко впасти, і сила, що утримує Місяць на земній орбіті, має одну і ту ж природу.

Насправді, звичайно, все було далеко не так просто До відкриття знаменитого закону Ньютона багато років присвятив вивченню механіки, закономірностей руху і взаємодії між тілами. Він був не першим, хто припустив існування сил тяжіння. Про це говорив ще Галілео Галілей, але він вважав, що притягання до Землі діє тільки на нашій планеті і простягається лише до Місяця. Кеплер відкрив закони руху планет, був упевнений, що вони працюють виключно в космосі і не мають відношення до земної фізики. Ньютон же зміг об’єднати ці два підходи – він був першим, хто усвідомив, що фізичні закони, насамперед закон всесвітнього тяжіння, універсальні і застосовні до всіх матеріальним тілам.

Суть закону всесвітнього тяжіння зводиться до того, що між абсолютно всіма тілами у Всесвіті існує тяжіння. Сила тяжіння залежить від двох головних величин – маси тіл і відстані між ними. Чим важче тіло, тим сильніше воно притягує до себе більш легкі тіла. Земля притягує Місяць і утримує її на своїй орбіті. Місяць теж впливає на нашу планету певний вплив (воно викликає припливи), але сила тяжіння Землі, за рахунок більшої маси, значніше.

Крім закону всесвітнього тяжіння, Ньютон сформулював три закони руху. Перший з них називають законом інерції. Він говорить: якщо на тіло не діє сила, воно буде залишатися в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Другий закон вводить поняття сили і прискорення, і ці дві величини, як Ньютон довів, що залежать від маси тіла. Чим більше маса, тим меншим буде прискорення при певній прикладеній силі. Третій закон Ньютона описує взаємодію двох матеріальних об’єктів. Найпростіша його формулювання говорить: дія дорівнює протидії.

Відкриття, здійснені Ісааком Ньютоном, і виведені ним формули астрономії дали потужний інструмент, що дозволив просунути цю науку далеко вперед. Багато явищ, які не мали раніше пояснень, розкрили свою природу. Стало зрозуміло, чому планети обертаються навколо Сонця, а супутники планет навколо, не відлітаючи у відкритий космос: їх утримує сила тяжіння. Швидкість руху планет залишається рівномірної завдяки закону інерції. Округла форма небесних тіл також отримала своє пояснення: вона набувається завдяки гравітації, тяжінню до більш масивному центру.

Посилання на основну публікацію