Каждый из нас ежедневно сталкивается с силой тяжести, даже не задумываясь о ней. Эта невидимая, но неизменно действующая сила удерживает нас на поверхности планеты, не дает атмосферным газам улетучиться в космос и заставляет яблоки падать на землю. Но насколько хорошо мы понимаем направление этой силы? В школьном курсе физики часто говорят, что сила тяжести направлена «вертикально вниз». Но так ли это однозначно? Давайте разберемся.
Что такое сила тяжести и куда она направлена?
Сила тяжести — это сила, с которой Земля (или любое другое небесное тело) притягивает к себе объекты. Согласно закону всемирного тяготения, открытому Исааком Ньютоном, все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Если отвечать на вопрос статьи прямо: да, сила тяжести всегда направлена вертикально вниз. Однако ключевым моментом здесь является то, что именно мы понимаем под словом «вниз» и что подразумевается под термином «вертикально».
Что значит «вертикально вниз»?
В обывательском понимании «вниз» — это направление к земле под ногами. В физике и геодезии вертикаль (или отвесная линия) — это линия, совпадающая с направлением нити свободно висящего отвеса. Именно вдоль этой линии и действует сила тяжести в данной точке земной поверхности.
Почему жители нижней, южной половины Земли не падают в космос? Ответ кроется именно в гравитации. Для австралийца «вниз» — это направление к центру Земли, точно так же, как и для жителя Евразии. У каждого человека на планете своя вертикаль, но все эти вертикали сходятся в одной точке (или очень близко к ней), в центре масс нашей планеты.
Важное уточнение: сила тяжести vs сила гравитационного притяжения
Здесь кроется главная физическая тонкость, из-за которой многие путаются. Строго говоря, сила тяжести и сила гравитационного притяжения (сила всемирного тяготения) — это не одно и то же.
- Сила гравитационного притяжения всегда направлена строго к центру Земли (по радиусу).
- Сила тяжести — это равнодействующая сила гравитационного притяжения и центробежной силы инерции, возникающей из-за вращения Земли вокруг своей оси.
Земля вращается, поэтому на любое тело на ее поверхности действует центробежная сила. Она направлена перпендикулярно оси вращения и «оттягивает» тела от оси. Из-за этого небольшого воздействия результирующая сила (та самая сила тяжести, которую мы измеряем) чуть-чуть отклоняется от направления к точному центру Земли. Максимальное отклонение наблюдается на широтах 45°, но оно настолько мало (около 0,1°), что в большинстве практических задач им пренебрегают.
Идеальная сфера и реальная Земля
Все мы знаем, что Земля имеет форму шара. Точнее, она представляет собой геоид, фигуру, слегка сплюснутую у полюсов. Из-за этого сплющивания расстояние от полюсов до центра Земли меньше, чем от экватора. Следовательно, сила тяжести на полюсах чуть больше, чем на экваторе (разница составляет около 0,5%).
Но меняет ли это направление силы? Нет. В любой точке на поверхности планеты сила тяжести будет направлена перпендикулярно горизонту, то есть по местной вертикали вниз.
Разбор заблуждений
Почему вообще возникает вопрос, падает ли сила тяжести «не вниз»? Чаще всего это связано с несколькими ошибочными представлениями:
- Глобус и карта. Глядя на глобус, мы видим людей в Австралии, которые словно висят «вверх ногами». Нам кажется, что для них «вниз» должен быть направлен туда же, куда и для нас. Но гравитация не зависит от того, как мы повернули глобус. Она тянет все объекты к центру массы.
- Путаница с нормалью. Иногда думают, что если поверхность неровная (гора, впадина), то сила тяжести направлена не вниз, а под углом. На самом деле, отвес (вертикаль) всегда укажет «вниз» независимо от рельефа, хотя гравитационное поле над горами действительно может иметь микроскопические аномалии.
- Невесомость на орбите. Космонавты на МКС парят в невесомости, значит ли это, что там сила тяжести направлена не вниз? Нет! На высоте 400 км сила гравитации составляет около 90% от земной. Космонавты падают на Землю, но из-за огромной горизонтальной скорости станции они постоянно «промахиваются» мимо планеты, двигаясь по орбите. Сила тяжести там по-прежнему направлена вниз, к Земле.
Так верно ли утверждение, что сила тяжести всегда направлена вертикально вниз? Да, абсолютно верно.
Необходимо лишь помнить, что «вертикально вниз» — это не одно и то же направление для всех точек планеты в глобальной системе координат. Это направление к центру Земли (с ничтожным поправками на вращение планеты и форму геоида) для каждого конкретного наблюдателя. Благодаря этой невидимой, но неизменно действующей силе, возможна жизнь на Земле, океаны остаются на месте, а мы уверенно стоим на ногах, в какой бы точке мира ни находились.