Тяготение и гравитационное поле Земли

Материи присуще особое свойство - тяготение, механизм действия которого пока что лежит за гранью человеческого познания. Качественно оно проявляется в том, что все материальные частицы, начиная от атомов и молекул до каких угодно больших тел, тяготеют друг к другу независимо от их физических и химических свойств и степени заполнения среды, разделяющей притягивающиеся объекты.

Вследствие этого тяготения вокруг каждой материальной частицы или тела, какую бы форму оно не имело, возникает область - поле тяготения, или, как говорят, гравитационное поле, обладающее тем свойством, что на каждую попавшую в это поле частицу действует вполне определенная по величине и направлению сила. При этом ускорение движущейся частицы или тела не зависит от их массы.

Для материальных точек, однородных сферических тел или тел, имеющих центральную симметрию, а также для сферических неоднородных тел со сферическим распределением плотности или же не совсем сферических и не совсем однородных тел, размеры которых малы по сравнению с расстояниями между ними, найдена количественная характеристика взаимодействия между притягивающимися телами, называемая законом всемирного тяготения. Этот закон был сформулирован великим ученым И. Ньютоном в его бессмертном сочинении "Математические начала натуральной философии" в 1687 г. Согласно этому закону, всякие две материальные частицы (или тела) с массой М и т взаимно притягиваются с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния R между ними.

где k - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной тяготения, численное значение которого зависит от принятой системы единиц измерения.

Гравитационное поле Земли на небольшой высоте (от 0 до нескольких десятков километров) создается силой тяжести планеты, являющейся равнодействующей силы тяготения всей ее массы и центробежной силы, вызванной вращением Земли около своей оси. На высотах, где частицы уже не принимают участия во вращении Земли, поле создается только ее тяготением. Вследствие вращения Земли и ее сплюснутости вдоль оси вращения сила тяжести изменяется с широтой места, убывая от полюса к экватору. Так, гиря весом 1 кг, взвешенная на пружинных весах на полюсе, на экваторе будет весить 994 г. Кроме того, сила тяжести зависит от внутреннего строения Земли и изменяется от места к месту. Теоретически гравитационное поле Земли распространяется до бесконечности, а практически очень ограниченно. Так, на расстоянии Луны напряженность гравитационного поля Земли слабее почти в 4000 раз, чем у ее поверхности.

Вследствие неоднородности Земли и сложной формы ее рельефа гравитационное поле имеет сложную структуру. Оно состоит из двух частей: нормальной и аномальной. Аномальное поле характеризует детали реального гравитационного поля Земли. Оно создается аномальным распределением масс в Земле. Нормальное поле изучается с помощью гравиметрических наблюдений, производимых на поверхности Земли и с искусственных спутников. Напряженность, или, как говорят, потенциал гравитационного поля Земли, в любой его точке описывается формулой, в которой учитывается общая масса Земли, ее сжатие, широта и долгота места, вращение.