Patru forțe fundamentale guvernează toate interacțiunile din Univers. Sunt forțe nucleare slabe, forțe nucleare puternice, electromagnetism și gravitație. Dintre acestea, gravitația este poate cea mai misterioasă. Deși s-a înțeles de ceva timp modul în care această lege a fizicii funcționează la scară macro - care guvernează sistemul nostru solar, galaxiile și supercluzele - modul în care interacționează cu celelalte trei forțe fundamentale rămâne un mister.
În mod natural, ființele umane au avut o înțelegere de bază a acestei forțe încă din vremuri imemoriale. Și când vine vorba de înțelegerea noastră modernă a gravitației, creditul este datorat unui om care își descifrează proprietățile și modul în care guvernează toate lucrurile mari și mici - Sir Isaac Newton. Datorită acestui fizician și matematician englez din secolul al XVII-lea, înțelegerea noastră a Universului și a legilor care îl guvernează s-ar schimba pentru totdeauna.
Cu toate că suntem cu toții familiarizați cu imaginea iconică a unui bărbat așezat sub un măr și având o cădere în cap, teoriile lui Newton despre gravitate au reprezentat și un punct culminant al anilor de cercetare, care la rândul lor s-a bazat pe secole de cunoștințe acumulate. El va prezenta aceste teorii în opusul său magnum, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica („Principiile matematice ale filozofiei naturale”), care a fost publicat pentru prima dată în 1687.
În acest volum, Newton a prezentat ceea ce va fi cunoscut sub numele de Cele trei legi ale mișcării, care au fost derivate din Legile mișcării planetare ale lui Johannes Kepler și propria sa descriere matematică a gravitației. Aceste legi ar pune bazele mecanicii clasice și ar rămâne necontestate timp de secole - până în secolul XX și apariția Teoriei Relativității lui Einstein.
Fizica până în secolul al XVII-lea:
Secolul al XVII-lea a fost o perioadă foarte favorabilă pentru științe, cu descoperiri majore în domeniile matematicii, fizicii, astronomiei, biologiei și chimiei. Unele dintre cele mai mari dezvoltări ale perioadei includ dezvoltarea modelului heliocentric al sistemului solar de către Nicolaus Copernic, lucrarea de pionierat cu telescoape și astronomie observațională de Galileo Galilei și dezvoltarea opticii moderne.
Tot în această perioadă Johannes Kepler și-a dezvoltat Legile mișcării planetare. Formulate între 1609 și 1619, aceste legi au descris mișcarea planetelor de atunci cunoscute (Mercur, Venus, Pământ, Marte, Jupiter și Saturn) în jurul Soarelui. Ei au declarat că:
- Planetele se deplasează în jurul Soarelui în elipsă, iar Soarele la un singur accent
- Linia care leagă Soarele de o planetă mătura arii egale în timp egal.
- Pătratul perioadei orbitale a unei planete este proporțional cu cubul (puterea a 3-a) a distanței medii față de Soare (în alte cuvinte - a „axei semi-majore” a elipsei, jumătate din suma celor mai mici și cea mai mare distanță de Soare).
Aceste legi au rezolvat problemele matematice rămase ridicate de modelul heliocentric al lui Copernic, eliminând astfel orice îndoială că acesta era modelul corect al Universului. Lucrând din acestea, Sir Isaac Newton a început să ia în considerare gravitația și efectul acesteia asupra orbitelor planetelor.
Cele trei legi ale lui Newton:
În 1678, Newton a suferit o cădere nervoasă completă din cauza suprasolicitării și o feudă cu colegul astronomului Robert Hooke. În următorii câțiva ani, s-a retras din corespondență cu alți oameni de știință, cu excepția locului în care aceștia au inițiat-o și și-au reînnoit interesul pentru mecanică și astronomie. În iarna anilor 1680-81, apariția unei comete, despre care el corespundea cu John Flamsteed (Astronomer Royal din Anglia) și-a reînnoit interesul pentru astronomie.
După ce a analizat Legile mișcării lui Kepler, Newton a dezvoltat o dovadă matematică că forma eliptică a orbitelor planetare ar rezulta dintr-o forță centripetă invers proporțională cu pătratul vectorului radius. Newton a comunicat aceste rezultate lui Edmond Halley (descoperitorul „Cometei lui Haley”) și societății regale în De motu corporum in gyrum.
Acest tract, publicat în 1684, conținea sămânța a ceea ce Newton avea să se extindă pentru a-și forma magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Acest tratat, publicat în iulie 1687, conținea cele trei legi de mișcare ale lui Newton, care afirmau că:
- Când este privit într-un cadru de referință inerțial, un obiect rămâne în repaus sau continuă să se miște la o viteză constantă, dacă nu este acționat de o forță externă.
- Suma vectorială a forțelor externe (F) pe un obiect este egală cu masa (m) din acel obiect înmulțit cu vectorul de accelerație (a) al obiectului. În formă matematică, aceasta este exprimată astfel: F =mA
- Când un corp exercită o forță asupra unui al doilea corp, al doilea corp exercită simultan o forță egală ca mărime și opusă în direcție asupra primului corp.
Împreună, aceste legi au descris relația dintre orice obiect, forțele care acționează asupra lui și mișcarea rezultată, punând bazele mecanicii clasice. Legile au permis, de asemenea, lui Newton să calculeze masa fiecărei planete, aplatizarea Pământului la poli și bombă la ecuator și modul în care atragerea gravitațională a Soarelui și a Lunii creează valurile Pământului.
În aceeași lucrare, Newton a prezentat o metodă de analiză geometrică asemănătoare calculului folosind „primele și ultimele rapoarte”, care a calculat viteza sunetului în aer (bazată pe Legea lui Boyle), reprezentând procesiunea echinoxilor (pe care a arătat că erau rezultat al atracției gravitaționale a Lunii către Pământ), a inițiat studiul gravitațional al neregulilor în mișcarea lunii, a furnizat o teorie pentru determinarea orbitelor cometelor și multe altele.
Newton și „Incidentul Apple”:
Povestea lui Newton venind cu teoria sa despre gravitația universală ca urmare a căderii unui măr pe cap a devenit un element fundamental al culturii populare. Și deși s-a susținut adesea că povestea este apocrifă și Newton nu și-a conceput teoria în niciun moment, Newton însuși a povestit povestea de multe ori și a susținut că incidentul l-a inspirat.
În plus, scrisul lui William Stukeley - un cleric englez, anticar și membru coleg al Royal Society - au confirmat povestea. Dar mai degrabă decât reprezentarea comică a mărului care îl lovește pe Newton pe cap, a descris Stukeley în al său Memorii din viața lui Sir Isaac Newton (1752) o conversație în care Newton a descris să mediteze natura gravitației în timp ce privea căderea unui măr.
„… Am intrat în grădină și am băut-o sub umbra unor aparate; numai el, și eu. în mijlocul altui discurs, mi-a spus, el se afla exact în aceeași situație, ca atunci când anterior, noțiunea de gravitație a intrat în mintea lui. „De ce ar trebui ca acel măr să coboare întotdeauna perpendicular pe pământ”, a crezut el însuși; cu ocazia căderii unui măr ... "
John Conduitt, asistentul lui Newton la Royal Mint (care în cele din urmă s-a căsătorit cu nepoata sa), a descris și el auzirea poveștii în propriul său cont despre viața lui Newton. Potrivit lui Conduitt, incidentul a avut loc în 1666, când Newton călătorea să se întâlnească cu mama sa din Lincolnshire. În timp ce rătăcea în grădină, a avut în vedere modul în care influența gravitației s-a extins mult dincolo de Pământ, responsabilă de căderea mărului, precum și de orbita Lunii.
În mod similar, Voltaire a scris n al său Eseu despre poezia epică (1727) că Newton s-a gândit pentru prima dată la sistemul de gravitație în timp ce se plimba în grădina sa și privea un măr căzut dintr-un copac. Acest lucru este în concordanță cu notele de la Newton din anii 1660, care arată că se prindea cu ideea modului în care gravitația terestră se extinde, în proporție de pătrat invers, pe Lună.
Totuși, i-ar fi trebuit încă două decenii să-și dezvolte pe deplin teoriile în așa fel încât să poată oferi dovezi matematice, așa cum se arată în Principia. Odată finalizat acest lucru, el a dedus că aceeași forță care face ca un obiect să cadă la pământ era responsabilă pentru alte mișcări orbitale. Prin urmare, el a numit-o „gravitație universală”.
Se afirmă că diferiți copaci sunt „mărul” pe care îl descrie Newton. Școala Regelui, Grantham, susține că școala lor a achiziționat copacul original, l-a dezrădăcinat și l-a transportat în grădina directorului, câțiva ani mai târziu. Cu toate acestea, National Trust, care deține Woolsthorpe Manor (unde Newton a crescut) în încredere, susține că copacul încă locuiește în grădina lor. Un descendent al copacului original poate fi văzut crescând în afara porții principale a Trinity College, Cambridge, sub camera în care Newton locuia când studia acolo.
Munca lui Newton ar avea un efect profund asupra științelor, principiile sale rămânând canon pentru următorii 200 de ani. De asemenea, a informat conceptul de gravitație universală, care a devenit elementul principal al astronomiei moderne și nu va fi revizuit până în secolul XX - cu descoperirea mecanicii cuantice și a teoriei relativității generale a lui Einstein.
Am scris multe articole interesante despre gravitate aici la Space Magazine. Iată cine a fost Sir Isaac Newton ?, Cine a fost Galileo Galilei ?, Care este forța gravitației ?, și care este constanta gravitațională?
Astronomy Cast are câteva episoade bune pe această temă. Iată Episodul 37: Lentirea gravitațională și Episodul 102: Gravitatea,
surse:
- NASA - Legile mișcării de la Newton
- Sala de fizică - Legea gravitației universale a lui Newton
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
