Главная >> В мире больших скоростей >> Общая теория относительности

7. Приливы и отливы

В главе, посвященной специальной теории относительности, мы видели, что конкретный вид электромагнитного поля зависит от системы отсчета, в которой это поле описывается. В одной системе отсчета поле имеет один вид, в другой — иной. Однако для электромагнитного поля характерна одна существенная черта: если электромагнитное поле имеется в некоторой заданной системе отсчета, то невозможно найти другую систему отсчета, в которой бы это поле отсутствовало. Электромагнитное поле нельзя устранить с помощью движения. Гравитационное поле отличается от электромагнитного главным образом именно этим свойством. Величина напряженности гравитационного поля зависит от системы отсчета, в которой мы описываем поле. Однако в противоположность электромагнитному полю здесь всегда можно найти такую систему отсчета, в которой гравитационное поле в данной точке пространства равно нулю. Именно это и подразумевается в принципе эквивалентности, когда говорится об эквивалентности гравитационного поля и поля относительного ускорения. О принципе эквивалентности всегда говорится в связи с общей теорией относительности. В действительности принцип эквивалентности следует уже из закона свободного падения, открытого Галилеем, и относится по своему содержанию к классической физике. Значение принципа эквивалентности состоит не только в том, что он позволяет лучше понять сущность гравитационного поля, но у него есть и определенное методическое значение. Использование этого принципа позволяет уяснить некоторые вопросы и логически просто объяснить ряд явлений природы. Примерами могут служить уже рассмотренные проблемы, связанные с поведением силы тяжести в космическом полете. Поясним теперь, как использовать принцип эквивалентности для объяснения возникновения приливов и отливов.
 
Напомним закон движения в гравитационном поле: свободное тело в гравитационном поле движется естественно, т. е. так, что в месте его нахождения постороннее гравитационное поле отсутствует. Движение тела уничтожает постороннее гравитационное поле. Однако в точном соответствии с этим законом могут двигаться маленькие, практически «точечные» тела. Для больших тел положение сложнее.
 
Пусть в гравитационном поле движется тело больших размеров, т. е. такое тело, в объеме которого гравитационное поле заметно меняется. Вообще говоря, в этом случае напряженность постороннего гравитационного поля в каждой точке тела будет различной, если само тело твердое и движется как единое целое (и не вращается), т. е. все точки тела будут двигаться с одним и тем же ускорением. Поэтому движение тела уничтожает повсюду одинаковую часть внешнего поля. Полностью уничтожить внешнее поле   во   всех   точках   тела   невозможно.   Тело   больших размеров в гравитационном поле может двигаться лишь так, что поле можно полностью аннулировать только в одной его точке. Во всех остальных точках будет оставаться часть постороннего поля или же ускоренное движение будет порождать там дополнительное гравитационное поле.
 
Вычисления показывают, что такой точкой тела, в которой можно полностью аннулировать постороннее гравитационное поле, является центр масс. Таким образом, закон движения большого тела в гравитационном поле можно сформулировать следующим образом: большое тело движется в гравитационном поле так, что уничтожается постороннее гравитационное поле в его центре масс.
 
К примеру, Земля движется в гравитационном поле Луны так, что в центре Земли это поле равно нулю. Ускоренное движение Земли уничтожает гравитационное поле Луны (а также и все другие посторонние гравитационные поля) в центре Земли.

Рис. 49. Гравитационное поле Луны в системе отсчета, связанной с  Землей

В той части земного шара (рис. 49), которая обращена к Луне (точка А),лунное гравитационное поле сильнее, чем в центре земного шара О. На противоположной стороне земного шара (точка В) гравитационное поле Луны слабее, чем в центре О. Поэтому в то время, как движение Земли уничтожает гравитационное поле в центре Земли, на ее стороне, обращенной к Луне, остается некомпенсированным слабое поле. Под действием этого поля в океане образуется прилив. На поверхности же, обращенной в противоположную сторону, движение Земли не только компенсирует лунное гравитационное поле, но и создает избыток в виде силы, направленной от Луны. Под влиянием этой си`лы также образуется приливная волна.
 
На рисунке изображена стрелками та часть гравитационного поля Луны, которое обнаруживает находящийся на Земле наблюдатель. Это гравитационное поле Луны в системе отсчета, связанной с Землей. В системе же отсчета Луны ее собственное гравитационное поле определяется обычным законом гравитации, т. е. оно сильнее всего в непосредственной окрестности Л.уны и уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Это еще раз показывает, как сильно зависит вид поля от системы отсчета, в которой оно описывается. Если нас интересует воздействие гравитационного поля Луны на земные тела, мы всегда должны рассматривать это поле таким, каким оно является в системе отсчета Земли. И возникновение приливов и отливов также следует описывать в этой системе отсчета. Объяснять возникновение приливов и отливов на Земле гравитационным полем Луны в том виде, какой оно имеет в системе отсчета, связанной с Луной, как это, к сожалению, часто делают в учебниках для средней школы, нельзя.
 
Как видим, принцип эквивалентности позволяет дать очень простое и ясное описание приливных явлений. Из приведенного объяснения вытекает несколько простых следствий.
 
Напряженность поля, обусловливающего приливы и отливы, не зависит от напряженности постороннего гравитационного поля в месте, где находится планета. Оно зависит только от того, насколько изменяется напряженность постороннего гравитационного поля в объеме планеты. Например, гравитационное поле Солнца в окрестности Земли в 180 раз сильнее поля Луны. Несмотря на это, как известно, солнечные приливы значительно слабее лунных. Причина состоит в том, что изменение гравитационного поля Солнца в объеме Земли в 2,2 раза меньше изменения гравитационного поля Луны.
 
Из предыдущего также следует, что гравитационная сила, порождающая приливы и отливы, тем больше, чем больше поперечник планеты. Если при сохранении всех прочих условий поперечник Земли стал бы больше, то и приливная волна была бы выше.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: