измерения показывают, что весьма часто встречаются отклонения от этой нормы
- аномалии тяготения. Причина аномалий состоит в неоднородном распределении
массы вблизи места измерения.
Как уже было сказано, сила тяготения со стороны большого тела может
быть, представлена как сумма сил, действующих со стороны отдельных частиц
большого тела. Притяжение маятника Землей есть результат действия на него
всех частиц Земли. Но ясно, что близкие частицы вносят наибольший вклад в
суммарную силу - ведь притяжение обратно пропорционально квадрату
расстояния.
Если вблизи места измерения сосредоточены тяжелые массы, g будет
больше нормы, в обратном случае g меньше нормы.
Если, например, измерить g на горе или на самолете, летящем над морем
на высоте горы, то в первом случае получится большая цифра. Также выше
нормы величина g на уединенных океанских островах. Ясно, что в обоих
случаях возрастание g объясняется сосредоточением дополнительных масс в
месте измерения.
Не только величина g, но и направление силы тяжести может отклоняться
от нормы. Если подвесить груз на нитке, то вытянутая нить покажет вертикаль
для этого места. Эта вертикаль может отклониться от нормы. «Нормальное»
направление вертикали известно геологам из специальных карт, на которых по
данным о значениях g построена «идеальная» фигура Земли.
Произведем опыт с отвесом у подножия большой горы. Грузик отвеса
притягивается Землей к ее центру и горой - в сторону. Отвес должен
отклониться при таких условиях от направления нормальной вертикали. Так как
масса Земли много больше массы горы, то такие отклонения не превышают
нескольких угловых секунд.
«Нормальная» вертикаль определяется по звездам, так как для любой
географической точки вычислено, в какое место неба в данный момент суток и
года «упирается» вертикаль «идеальной» фигуры Земли.
Отклонения отвеса приводят иногда к странным результатам. Например, во
Флоренции влияние Апеннин приводит не к притяжению, а к отталкиванию
отвеса. Объяснение может быть одно: в горах есть огромные пустоты.
Замечательный результат дают измерения ускорения силы тяжести в
масштабе материков и океанов. Материки значительно тяжелее океанов,
поэтому, казалось бы, значения g над материками должны быть больше. Чем над
океанами. В действительности же значения g, вдоль одной широты над океанами
и материками, в среднем одинаковы.
Объяснение опять -таки лишь одно: материки покоятся на более легких
породах, а океаны - на более тяжелых. И действительно, там, где возможны
непосредственные изыскания, геологи устанавливают, что океаны покоятся на
тяжелых базальтовых породах, а материки- на легких гранитах.
Но сразу же возникает следующий вопрос: почему тяжелые и легкие породы
точно компенсируют различие весов материков и океанов? Такая компенсация не
может быть делом случая, причины ее должны коренится в устройстве оболочки
Земли.
Геологи полагают, что верхние части земной коры как бы плавают на
подстилающей пластичной, то есть легко деформируемой массе. Давление на
глубинах около 100 км должно быть всюду одинаковым, так же как одинаково
давление на дне сосуда с водой, в котором плавают куски дерева разного
веса. Поэтому столб вещества площадью 1 м2 от поверхности до глубины 100 км
должен иметь и под океаном и под материками одинаковый вес.
Это выравнивание давлений (его называют изостазией) и приводит к тому,
что над океанами и материками вдоль одной широтной линии значение ускорения
силы тяжести g не отличается существенно. Местные аномалии силы тяжести
служат геологической разведке, цель которой- найти залежи полезных
ископаемых под землей, не роя ям, не копая шахт.
Тяжелую руду нужно искать в тех местах, где g наибольшее. Напротив,
залежи легкой соли обнаруживают по местным заниженным значениям величины g.
Измерить g можно с точностью до миллионных долей от 1 м/сек2.
Методы разведки при помощи маятников и сверхточных весов называют
гравитационными. Они имеют большое практическое значение, в частности для
поисков нефти. Дело в том, что при гравитационных методах разведки легко
обнаружить подземные соляные купола, а очень часто оказывается, что где
есть соль, там и нефть. Причем нефть лежит в глубине, а соль ближе к земной
поверхности. Методом гравитационной разведки была открыта нефть в
Казахстане и в других местах.
***
Вместо того, чтобы тянуть тележку с помощью пружины, ей можно придать
ускорение, прикрепив перекинутый через блок шнур, к противоположному концу
которого подвешивается груз. Тогда сила, сообщающая ускорение, будет
обусловлена весом этого груза. Ускорение свободного падения опять таки
сообщается телу его весом.
В физике вес - это официальное наименование силы, которая обусловлена
притяжением предметов к земной поверхности - «притяжением силы тяжести». То
обстоятельство, что тела притягиваются по направлению к центру Земли,
делает такое объяснение разумным.
Как бы его не определили, вес - это сила. Он ничем не отличается от
любой другой силы, если не считать двух особенностей: вес направлен
вертикально и действует постоянно, его невозможно устранить.
Чтобы непосредственно измерить вес тела, мы должны воспользоваться
пружинными весами, проградуированными в единицах силы. Поскольку это
зачастую сделать неудобно, мы сравниваем один вес с другим при помощи
рычажных весов, т.е. находим отношение:
ЗЕМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ, ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НА ТЕЛО Х ЗЕМНОЕ ПРИТЯЖ-Е, ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НА
ЭТАЛОН МАССЫ
Предположим, что тело Х притягивается в 3 раза сильнее, чем эталон
массы. В этом случае мы говорим, что земное притяжение, действующее на тело
Х равно 30 ньютонам силы, что означает, что оно в 3 раза больше земного
притяжения, которое действует на килограмм массы. Нередко путают понятие
массы и веса, между которыми имеется существенное различие. Масса - это
свойство самого тела (она является мерой инертности или его «количества
вещества»). Вес же - это сила, с которой тело действует на опору или
растягивает подвес (вес численно равен силе тяжести, если опора или подвес
не имеют ускорения).
Если мы при помощи пружинных весов измерим вес какого-нибудь предмета
с очень большой точностью, а потом перенесем весы в другое место, то
обнаружим, что вес предмета на поверхности Земли несколько меняется от
места к месту. Мы знаем, что вдали от поверхности Земли, или в глубине
земного шара, вес должен быть значительно меньше.
Меняется ли масса? Ученые, размышляя над этим вопросом, давно пришли к
выводу, что масса должна оставаться неизменной. Даже в центре Земли, где
тяготение, действуя во всех направлениях, должно давать нулевую
результирующую силу, тело по-прежнему имело бы ту же самую массу.
Таким образом, масса, оцениваемая по трудности, которую мы встречаем
при попытке ускорить движение маленькой тележки, одна и та же всюду: на
поверхности Земли, в центре Земли, на Луне. Вес, оцениваемый по удлинению
пружинных весов(и ощущению
в мускулах руки человека, держащего весы), будет значительно меньше на Луне
и практически равен нулю в центре Земли. (рис.7)
Как велико земное притяжение, действующее на разные массы? Как
сравнить веса двух предметов? Возьмем два одинаковых куска свинца, скажем,
по 1 кг каждый. Земля притягивает каждый из них с одинаковой силой, равной
весу 10 Н. Если соединить оба куска в 2 кг, то вертикальные силы просто
складываются: Земля притягивает 2 кг вдвое сильнее, чем 1 кг. Мы получим
точно такое же удвоенное притяжение, если сплавим оба куска в один или
поместим их один на другой. Гравитационные притяжения любого однородного
материала просто складываются, и нет ни поглощения, ни экранирования одного
куска вещества другим.
Для любого однородного материала вес пропорционален массе. Поэтому мы
считаем, что Земля является источником «поля силы тяжести», исходящего из
ее центра по вертикали и способного притягивать любой кусок вещества. Поле
силы тяжести воздействует одинаково, скажем, на каждый килограмм свинца. А
как обстоит дело с силами притяжения, действующими на одинаковые массы
разных материалов, например 1 кг свинца и 1 кг алюминия? Смысл этого
вопроса зависит от того, что нужно понимать под одинаковыми массами.
Наиболее простой способ сравнения масс, которым пользуются в научных
исследованиях и в торговой практике - это применение рычажных весов. В них
сравниваются силы, которые тянут оба груза. Но получив таким путем
одинаковые массы, скажем свинца и алюминия, можно предположить, что равные
веса имеют равные массы. Но фактически здесь разговор идет о двух
совершенно разных видах массы - об инертной и о гравитационной массе.
Величина в формуле Представляет
собой инертную массу. В опытах с тележками, которым придают ускорение
пружины, величина выступает как характеристика «тяжеловесности
вещества» показывающая, насколько трудно сообщить ускорение
рассматриваемому телу. Количественной характеристикой служит отношение
. Эта масса представляет собой меру инертности, тенденции
механических систем сопротивляться изменению состояния. Масса - это
свойство, которое должно быть одним и тем же и вблизи поверхности Земли, и
на Луне, и в далеком космосе, и в центре Земли. Какова ее связь с
тяготением и что на самом деле происходит при взвешивании?
Совершенно независимо от инертной массы можно ввести понятие
гравитационной массы как количества вещества, притягиваемого Землей.
Мы считаем, что поле тяготения Земли одинаково для всех находящихся в
нем предметов, но приписываем различным пред
метам разные массы, которые пропорциональны притяжению этих предметов
полем. Это гравитационная масса. Мы говорим, что разные предметы имеют
разный вес, поскольку они обладают различными гравитационными массами,
которые притягиваются полем тяготения. Таким образом, гравитационные массы
по определению пропорциональны весам, а также силе тяжести. Гравитационная
масса определяет, с какой силой тело притягивается Землей. При этом
тяготение взаимно: если Земля притягивает камень, то камень точно также
притягивает Землю. Значит, гравитационная масса тела определяет также,
насколько сильно оно притягивает другое тело, Землю. Таким образом,
