Về lực hấp dẫn phổ quát, sự lên xuống và dòng chảy

30

Về lực hấp dẫn phổ quát, sự lên xuống và dòng chảy

Tiến sĩ khoa học sư phạm
N. A. RODINA

Một trong những cuốn sách về du lịch mô tả hiện tượng độ dốc sau: khi thủy triều lên, những dòng nước mạnh ùa vào đầm phá của một trong những hòn đảo Aldabra (những hòn đảo này nằm trong Vịnh Ấn Độ Dương ngoài khơi bờ biển phía đông châu Phi); tại bến tàu nối đầm với biển, tốc độ dòng chảy đạt 25 km/h, khối lượng nước chảy vào lên tới vài tỷ tấn. Khi thủy triều xuống, nước lại đổ về đại dương, gần 2/3 diện tích đầm phá lộ ra và hàng nghìn con chim bay lượn quanh đầm tìm kiếm con mồi.

Lực lượng khổng lồ nào “tẩy” nước ra khỏi đầm khi thủy triều xuống và dâng lên khi thủy triều lên? Đây là những lực hấp dẫn phổ quát.

Người ta thường nói rằng Newton đã nảy ra ý tưởng về sự tồn tại của lực hấp dẫn giữa tất cả các vật thể trong tự nhiên khi quan sát sự rơi của một quả táo xuống Trái đất.

Nhưng việc phát hiện và nghiên cứu lực hấp dẫn có một lịch sử phức tạp.

Ngay cả các nhà khoa học của các trường phái Hy Lạp đầu tiên (thế kỷ V-IV trước Công nguyên) cũng lập luận rằng “cái giống có xu hướng thống nhất với cái giống”. Trong suốt thời Trung cổ, ý tưởng này đã được hỗ trợ bởi analgoria với sức hút của nam châm.

Chúng tôi đã gặp nhiều cái tên hay khi nghiên cứu lịch sử hình thành học thuyết về lực hấp dẫn phổ quát. Đây là Tycho Brahe, người đã quan sát các hành tinh trong hệ mặt trời trong hai mươi năm và để lại nhiều dữ liệu chính xác về chuyển động của chúng, và Johannes Kepler, người đã thiết lập các định luật về chuyển động của hành tinh trên cơ sở những dữ liệu này và bày tỏ ý tưởng rằng lực hút của Mặt trăng quanh Trái đất là lực hút, và Galileo Galilei, người đã phát hiện ra các vệ tinh của Sao Mộc, v.v. Nhưng chúng ta sẽ chuyển sang công trình của Newton, người đã khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn.

Đối với Newton, không gian được coi như một “phòng thí nghiệm”; vật thể mà ông tiến hành “thí nghiệm” là Mặt trời và các hành tinh trong hệ mặt trời. Nghiên cứu dữ liệu về chuyển động của các hành tinh, ông đi đến kết luận rằng trong mọi trường hợp, vật thể nằm ở trung tâm (Mặt trời liên quan đến các hành tinh và các hành tinh liên quan đến các vệ tinh của nó) tác động lên vật thể quay xung quanh nó với một lực nhất định, lực này giữ cho vật thể đó ở trong quỹ đạo. Một kết luận rất quan trọng và mang tính quyết định cho việc thiết lập định luật vạn vật hấp dẫn là kết luận mà ông đưa ra: lực giữ một thiên thể trên quỹ đạo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ vật thể trung tâm.

Và quan điểm tiếp theo do Newoton xác lập cho biết: “Trọng lực rất cần thiết trong mọi vật thể nói chung và tỷ lệ thuận với khối lượng của từng vật thể”.

Vì vậy, tất cả các cơ thể đều bị thu hút lẫn nhau. Nhưng nếu trọng lực là đặc tính của mọi vật thể, thì tại sao trong cuộc sống bị xúc phạm của mình, chúng ta chỉ thay thế một trong những biểu hiện của nó - sức hút của các vật thể bởi Trái đất (và chúng ta thay thế nó một cách nhầm lẫn khi mang một vật nặng!)? Tại sao ngồi dự tiệc cạnh một người bạn mà chúng ta không có cảm tình với nhau?

Newton trả lời điều này: “Nếu có ai phản đối rằng tất cả các vật thể đều được định vị

31

Theo định luật này, chúng ta nên hút về nhau, trong khi lực hấp dẫn đó hoàn toàn không được cảm nhận, thì tôi sẽ trả lời rằng lực hấp dẫn đối với các vật thể này, nhỏ hơn rất nhiều so với lực hấp dẫn đối với Trái đất, khối lượng của vật thể đó nhỏ hơn khối lượng của toàn bộ Trái đất bao nhiêu lần, hóa ra lại nhỏ hơn nhiều so với khối lượng có thể cảm nhận được.”

Hóa ra mức độ thoải mái giữa hai người ở khoảng cách một mét (ví dụ, ngồi cùng một bàn) là khoảng 0,00000025 N.

Điều này có nghĩa là các lực giữ các hành tinh trên quỹ đạo của chúng trong một trường hợp có thể nhỏ đến mức không thể nhận thấy trong trường hợp khác.

Ta hãy viết định luật vạn vật hấp dẫn dưới dạng công thức, đưa ra hệ số tỉ lệ (G) nối lực hấp dẫn (F) của hai vật với khối lượng của chúng ($m_1$ và $m_2$) và khoảng cách giữa chúng (r):

$$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}.$$

(*)

Để tính lực hút lẫn nhau giữa hai vật, bạn cần biết hệ số G là bao nhiêu, tức là biết hai vật có khối lượng bằng nhau bị hút vào nhau ở khoảng cách bằng một.

Hệ số này chỉ có thể được xác định bằng thực nghiệm. Nó được gọi là hằng số hấp dẫn (“trọng lực” là một từ tiếng Latin, dịch sang tiếng Nga là “trọng lực”). Đây là hằng số đầu tiên trong lịch sử vật lý (“hằng số” trong tiếng Latinh), hằng số đầu tiên trong họ Hằng số, được gọi là phổ quát, nghĩa là giống nhau đối với mọi vật thể trong tự nhiên. Newton đã đưa hằng số này vào khoa học nhưng ông không xác định được ý nghĩa của nó.

Những khó khăn trong việc xác định hằng số hấp dẫn là do lực hấp dẫn của các vật thể được sử dụng trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm là nhỏ “vô vọng” và cần có những kỹ thuật tinh tế nhất để đo nó.

…Nhà khoa học người Anh Henry Cavendish đã cẩn thận thực hiện các phép đo khoa học, và sự tận tâm của ông thậm chí còn được ghi nhận trong lịch sử vật lý. Ông chỉ công bố công trình của mình khi hoàn toàn tin tưởng vào tính đúng đắn và chính xác của kết quả. Có lẽ chính những yêu cầu cao của chiếc bàn đối với bản thân đã dẫn đến thực tế là nhiều khám phá của Cavendish (và những khám phá khoa học rất quan trọng!) đã được ông biết đến gần một trăm năm sau khi chúng được ông thực hiện, khi nghiên cứu các ghi chú của ông.

Henry Cavendish là người vào năm 1798 đã xác định được hằng số hấp dẫn trong phòng thí nghiệm. Thiết lập anh ấy sử dụng được hiển thị trong hình 1.

Hai quả bóng chì nhỏ (1 và 2) được gắn vào hai đầu của một thanh đèn treo ở giữa bằng một sợi chỉ mỏng dài. Những quả bóng lớn (A và B) được đưa vào những quả bóng này. Các quả bóng lắng xuống, thanh quay và xoắn. Quá trình xoắn dừng lại khi lực đàn hồi được cân bằng bởi lực hấp dẫn giữa quả bóng lớn và quả bóng nhỏ. Và lực đàn hồi ở các góc xoắn khác nhau là bao nhiêu - Cavendish đã đo trước điều này. Vì thế

(Puc. 1.)

(Về phần kết, xem trang 34)