Изменения гравитации

Правда ли то, что в зависимости от места проживания, вы можете весить по-разному?

Да. Если вы желаете, вы можете отправиться в другое место на Земле где вы будете весить больше или меньше, чем в данный момент. Как и почему это происходит? Насколько можно похудеть путешествуя?

Масса и вес

Первым делом договоримся, что наша масса не изменяется; меняется лишь ваш вес.

Какая разница между ними? Масса — это количество материи, из которой вы состоите, а вес — это сила, с которой тело воздействует на опору в результате действия сил гравитации. Масса измеряется в килограммах, а вес — в ньютонах (которые по совместительству являются мерой силы). В повседневной речи мы используем понятия «вес» и «масса» как синонимы, что ошибочно. Масса — величина скалярная. Она имеет только величину. Вес же является вектором, и кроме величины имеет направление.

Когда о чем то говорят, что оно невесомо, это не означает, что оно не имеет массы, оно всего лишь не испытывает неуравновешенных сил. И да, космонавты, находящиеся на орбите, все равно подвержены гравитации; на орбите также есть гравитация. На низкой околоземной орбите на расстоянии порядка 100 км от поверхности сила гравитации составляет примерно 90% от той, что мы испытываем на поверхности Земли. Космонавты чувствуют себя невесомыми потому, что они постоянно «падают» вокруг планеты, а не из-за того, что на околоземной орбите нет гравитации (чтобы понять это несколько непонятное нашему уху выражение, представьте, что вы стреляете из пушки параллельно абсолютно гладкой земле с такой силой, что ядро, вылетающее из пушки, не падает на землю, а преодолевает ее силу притяжения, выходит на орбиту и начинает крутиться вокруг Земли).

Свободное падение

Вы можете испытать невесомость на Земле без нужды отправляться на орбиту; просто встаньте на стул и спрыгните с него! По мере того, как вы ускоряетесь по направлению к полу, вы временно станете невесомыми (игнорируя трение воздуха, конечно). Хотите побыть невесомым подольше? Спрыгните со стола. Вам все мало? Давайте займемся скайдавйвингом!

Что интересно, несколько сот лет назад свободное падение использовали для быстрого и дешевого процесса изготовления пуль для ружей. Расплавленный свинец транспортировали на вершину огромных дымоходных труб, откуда его сливали через медное решето вниз. Небольшие капли в полете приобретали практически идеальную сферическую форму и успевали остыть, после чего падали в бассейн с холодной водой, где окончательно остывали.

Процесс был запатентован Уильямом Уоттсом, который построил первую такую высокую трубу в своем дворе как пристройку к своему дому, в Великобритании в 1782 году. Хоть сейчас эти трубы и не используют с первоначальной целью, они все равно используются в научных экспериментах. Правда теперь вместо них ученые отдают предпочтение очень глубоким ямам (НАСА имеет колодец 155 м глубиной).

Назад к гравитации

Итак, что же все таки такое гравитация? Достоверно, что же такое все таки гравитация, мы еще не знаем. Но все же это понятие можно объяснить окольными путями:

[КОРОТКО] Все, что мы знаем, это то, что материя притягивается к другой материи, и эта притягивающая сила и есть гравитация. Благодаря Ньютону мы знаем, что чем массивнее тело, тем сильнее притягивающая сила, и чем ближе другое тело к этому массивному телу, тем сильнее эта же сила (обратно пропорциональна квадрату расстояния).

[ПОДРОБНО] Эйнштейн в своей теории относительности истолковал понятие гравитации не как силу, а как искривление пространственно-временного континуума. Нельзя «увидеть» это искривление, но оно прямым образом влиет на проходящие мимо объекты. Многие склоняются верить, что силы гравитации сильны, однако она до неприличия слаба; значительно слабее четырех известных фундаментальных сил (гравитационные силы, электромагнитные силы, слабые и сильные взаимодействия), но ее силовые «тентакли» распространяются на огромные расстояния.

Мы не знаем, что конкретно вызывает гравитацию. Вы можете услышать из разговоров о «гравитационных волнах» или «гравитационных частицах», но это всего лишь спекуляция, и на сегодняшний день мы имеем очень смутное представление о природе гравитации.

(Я не хотел упоминать здесь специальную теорию относительности, потому что, хоть на относительно высоких скоростях масса изменяется, но так как мы сравниваем два места на планете в единой системе отсчета, мы не обязаны учитывать СТО. Однако если вы собираетесь мчаться через всю планету на скоростях, близких к световым, то можете пропустить оставшуюся часть статьи).

Ускорение свободного падения

Так как масса не меняется, то если ваш вес изменяется в процессе движения к другим точкам на планете, происходит это из-за изменения гравитации.

Гравитация это мера ускорения, которое Земля сообщает нам. В метрической системе СИ ускорение обычно измеряется в метрах в секунду за секунду (м/с2), которые также можно представить как ньютон на килограмм (Н/кг), что показывает, сколько ньютон силы нужно для ускорения массы. Как мы увидим в дальнейшем, это число варьирует в пределах планеты, но среднее значение равно 9.81 м/с2.

Gn = 9.80665 мс-2

Иметь стандарт — очень замечательно, и хотя гравитация меняется, есть стандартное значение для гравитации.

Каждый килограмм массы испытывает примерно 9.81 Н силы из-за гравитационного притяжения.

Причины изменения гравитации

Здесь по убыванию важности распределены причины, являющиеся причиной изменения гравитации по долготе.

Сплющенность и расстояние до центра

Наша планета — не идеальная сфера. Если бы Земля была сферической, имела одинаковую плотность и не крутилась бы, то сила притяжения была бы одинаковой по все ее поверхности. Однако миллионы лет вращения вокруг собственной оси привели к тому, что Земля стала приплюснутой у полюсов. Диаметр вокруг экватора немного больше, чем диаметр у полюсов. Разница небольшая, но измеримая.

Но не все так просто. Земля — не просто приплюснутый сфероид. На ней, помимо гор и прочих неровностей, есть и свои выпуклости и вогнутости.

Если вы встанете на экваторе (или на вершине горы), вы будете дальше от центра Земли. Сила притяжения будет падать обратно пропорционально квадрату расстояния центров масс двух объектов. Чем дальше вы от центра Земли, тем слабее будет гравитация.

Но насколько большую это расстояние играет роль? Формула уменьшения гравитации, основанной на высоте (над Землей) легко выводится. Используя эталонное значение силы притяжения, радиус от центра до поверхности и высоту, на которой вы находитесь, получаем формулу:

gn = ge * (re/re+h)

Так что будучи на самолете, вы действительно будете весить немного меньше, чем находясь на земле (особенно, если вы летите над океаном или морем). Но значит ли это, что человек, стоя на экваторе, будет весить меньше, стой он на северном полюсе? Что ж, и да, и нет. Ответить на этот вопрос не так то просто, потому что Земля вращается...

Вращение

Если вы когда-либо катались на карусели на детской площадке, вы, вероятно, замечали, что стоя на вращающейся карусели, лучше все таки за нее держаться. Чем быстрее она крутится, тем сильнее приходится держаться за нее.

Сила, с которой вы должны держаться называется центростремительной силой (сила, обратная центростремительной, которая пытается выбросить вас наружу, называется центробежной).

В соответствии с первым законом Ньютона, если вы перестанете держаться, то, так как на вас больше не действует внешняя сила, вы вылетите по прямой касательной линии с постоянной скоростью (но не прямо наружу).

Земля крутится и, в зависимости от широты, вы будете крутится на определенном радиусе от центра. Когда вы находитесь на экваторе, вы описываете круг большего радиуса, на полюсах — меньше.

Сила, необходимая для вращения вас по кругу немного уменьшает силу притяжения.

Это уменьшение наиболее заметно на экваторе (вас там попросту сильнее раскручивает), отсутствует на полюсах и изменяется в зависимости от широты. На экваторе уменьшение в процентном соотношении составляет примерно 0.3%.

Уменьшение притяжения за счет вращения и сплюснутости Земли складываются, так что мы испытываем дополнительное «облегчение», находясь на экваторе.

Высота

Взбираясь вверх по горам, мы действительно становимся легче из-за ослабления силы притяжения, но не только из-за нее. По мере увеличиения высоты, воздух становится все более разреженным. Разреженный воздух обладает меньшей выталкивающей силой, поэтому вес немного увеличивается.

Эффективное уменьшение веса от разницы в выталкивающей силе меньше того же эффекта от изменения высоты и составляет порядка 0.08%

Геология и топология

Земля не ровная по своей поверхности.

Местная разница в топографии (наличие гор, возвышенностей, впадин) и геологии (плотность земных слоев) вызывает малые флуктуации в гравитационном поле Земли.

Эти изменения довольно невелики и составляют величины порядка 0.01%.

Именно поэтому пролетая над горами мы испытываем немного повышенную силу притяжения, чем пролетай мы над водой.

Солнце и Луна

Гравитационные эффекты от Солнца и Луны вызывают колебания в морях и океанах — волны. Но эти небесные тела оказывают незначительный эффект на гравитационное поле Земли, поэтому их можно смело не учитывать.

Общая оценка

Все эти воздействия вместе взятые (исключая внешние воздействия от Солнца и Луны) дают в сумме изменение около 0.7%. Самое низкое значение g можно измерить на вершине горы Уаскаран, Перу(g = 9.7639 мс-2),а самое высокое зарегистрированное ускорение свободного падения находится на поверхности Северного Ледовитого океана (9.8337 мс-2).

Например, если вы живете в Осло, вы могли бы сместить стрелку весов в свою пользу (на целых 600 г!), переехав в Куала Лумпур.

#география #геология #Наука