Гравитационное поле и его основные характеристики

Известно, что все тела в природе притягивают друг друга. Такое притяжение называется гравитационным и описывается законом всемирного тяготения. Гравитационное взаимодействие осуществляется через гравитационное поле (поле тяготения). Всякое тело (масса) изменяет свойства окружающего его пространства: создает в нем гравитационное поле. Это поле проявляет себя в том, что помещенное в него другое тело (масса) оказывается под действием силы. Для количественного описания гравитационного поля вводятся понятия напряженности и потенциала.

Напряженностью гравитационного поля называют величину, равную силе, действующей на материальную точку массой 1 кг

. (4.1)

Размерность напряженности гравитационного поля совпадает с размерностью ускорения. Вблизи поверхности Земли напряженность гравитационного поля равна ускорению свободного падения (с точностью до поправки, обусловленной вращением Земли).

Физическое поле тяготения называется однородным, если его напряженность во всех точках пространства одинакова. Поле называется центральным, если во всех точках поля векторы напряженности направлены вдоль прямых, пересекающихся в одной точке. На рисунке 7 представлено гравитационное поле Земли. Видно, что оно является центральным и неоднородным.

Любая масса, помещенная в гравитационное поле, обладает потенциальной энергией. Энергетической характеристикой гравитационного поля является потенциал, численно равный потенциальной энергии W, которой обладает в данной точке поля материальная точка массой 1 кг

φ=W/m.(4.2)

Две характеристики гравитационного поля – напряженность и потенциал φ – связаны между собой соотношением

. (4.3)

Знак “–“ в формуле (4.3) означает, что вектор напряженности гравитационного поля направлен в сторону уменьшения потенциала.

Физические поля удобно изображать графически с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

Силовой линиейгравитационного поляназывается воображаемая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности .

Эквипотенциальной поверхностьюназывается геометрическое место точек гравитационного поля с одинаковым потенциалом.

Легко показать, что силовая линия всегда пересекает эквипотенциальную поверхность под прямым углом.

Силовые линии гравитационного поля являются разомкнутыми: они приходят из бесконечности и заканчиваются на массах.

Сила гравитационного взаимодействия (тяготения) является консервативной, а гравитационное поле – потенциальным. В гравитационном поле выполняется закон сохранения механической энергии.

Рисунок 7 – Силовые линии и эквипотенциальные поверхности гравитационного поля Земли