Гравитационное поле Земли. Гравитационные процессы и явления

Описание: Гравитационное поле Земли — силовое поле, обусловленное притяжением масс Земли и центробежной силой, которая возникает вследствие суточного вращения Земли; незначительно зависит также от притяжения Луны и Солнца и других небесных тел и масс земной атмосферы. Гравитационное поле Земли характеризуется силой тяжести, потенциалом силы тяжести и различными его производными.
Реферат содержит 1 файл: 

gravitatsionnoe_pole.docx

136.99 Кб | Файл microsoft Word  открыть 
Не получается скачать реферат Гравитационное поле Земли. Гравитационные процессы и явления? - Техническая поддержка

gravitatsionnoe_pole.docx

Гравиметрия как наука стала развиваться с теории фигуры Земли, изложенной Ньютоном в третьей части «Математических начал натуральной философии». Сам Ньютон не мог непосредственно проверить свою теорию тяготения, так как для этого надо было измерить очень малые силы, действующие между двумя массами. Так, из формулы (1) следует, что две массы по 1 кг каждая на расстоянии 1 м притягиваются друг к другу с силой всего 6,6726·10-11 Н. Для измерения такой силы нужны очень чувствительные приборы. Однако Ньютон теоретически доказал, что под действием силы тяжести и центробежной силы Земля имеет фигуру эллипсоида вращения, т. е. она сплюснута у полюсов и растянута в экваториальной зоне. Он впервые вычислил полярное сжатие Земли: 
α=(а–b)/b, где а – экваториальный радиус, b – полярный радиус Земли. Правда, число, которое получил Ньютон (α =1/230), было еще недостаточно точным. Чтобы решить вопрос о фигуре Земли, Французская академия наук организовала в течение десятилетия (1735–1745 гг.) две экспедиции к различным широтам (в Перу и Лапландию). С помощью собранных материалов было доказано, что экваториальное вздутие существует, т. е. Земля не растянута, а сплюснута вдоль оси. Современное сжатие Земли, определенное с большой точностью на основе деформаций орбит искусственных спутников Земли, равно 1/(298,257±0,02). По данным спутниковых измерений доказано, что полярный радиус Земли на 21,380км меньше экваториального радиуса. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Сила тяжести и ее составляющие.

     На любую материальную точку, находящуюся на поверхности или внутри Земли, действуют три силы: сила ньютоновского притяжения между точкой и всей массой Земли F, центробежная сила Р, возникающая вследствие суточного вращения Земли, и сила притяжения небесных тел F’.(рис. 1). Равнодействующая этих сил называется силой тяжести g. Как и всякая сила, сила тяжести g является векторной величиной. Она способствует удержанию тел и предметов на .поверхности Земли

Силу F определяют по зависимости (1). Из-за смены взаимного положения Земли и небесных тел ее числовое значение и направление непрерывно изменяются, что ведет к приливным изменениям g. Для исключения влияния F' в результаты измерений обычно вводят специальную поправку.

Сила ньютоновского притяжения F определяется распределением масс в теле Земли и ее формой. Если в первом приближении принять Землю за шар, состоящий из концентрических слоев постоянной плотности, то сила F будет направлена к центру Земли и подчиняться закону Ньютона 
F=GМmi/r2 (2), где М и mi – соответственно масса Земли и i-й точки; r – геоцентрическое расстояние,  (x, у и z – геоцентрические координаты).

Для реальной Земли с ее сложной формой и неоднородной по радиусу плотностью значение силы F отличается от значения вычисленного по формуле (2). Когда масса mi находится на земной поверхности, r .равно радиусу Земли R в данной точке.

Центробежная сила Р направлена вдоль радиуса, перпендикулярного оси вращения: 
P=mω2d, где ω=2π/86164 – угловая скорость вращения Земли, 86164 – среднее число секунд в звездных сутках; d – расстояние от оси вращения до притягиваемой точки.

Величина центробежной силы Р зависит от широты места и меняется от нуля на полюсе до максимума на экваторе. По сравнению с силой притяжения F центробежная сила Р мала и на экваторе составляет 1/288F. На полюсе, как сказано выше, она вообще равна нулю. Центробежная сила стремится уменьшить силу притяжения.

Если принять массу притягиваемой точки за единицу, то сила тяжести будет численно равна ускорению свободного падения g. Поэтому иногда вместо полного термина «ускорение свободного падения» или «ускорение силы тяжести» употребляют сокращенное выражение «силы тяжести». Единицей ускорения свободного падения является метр на секунду в квадрате (м/с2). В геофизике и в частности в гравиметрической практике используют более мелкие единицы – гал (1 Гал=10-2м/с2), миллигал (1 мГал= 10-5м/с2) и микрогал (1 мкГал=10-8м/с2). Свое название гал получил в честь Г. Галилея, впервые измерившего величину ускорения силы тяжести и открывшего закон свободного падения тел. Для решения большинства практических задач силу тяжести достаточно измерить с ошибкой 1–5 мГал, при определении опорных пунктов гравиметрической съемки ошибки допускаются не выше 0,1–0,2 мкГал, при изучении упругих свойств Земли–не более 1–2мкГал. 
                            

Рисунок 1. Сила тяжести и ее составляющие

Измерение ускорения свободного падения в месте хранения эталона массы (г. Севр, Франция) дало величину 9,80665 м/с2. Это значение стандартизовано как постоянная величина, не подлежащая изменению, независимо от уточнения измерений.

Величина стандартизированного ускорения свободного падения широко применяется в авиации и космонавтике.; Если тело движется с ускорением, которое в определенное, число раз превышает 9,80665 м/с2, то во столько же раз увеличивается вес тела. Поэтому это отношение получило, название перегрузки.

Среднее значение ускорения свободного падения на земной поверхности равно 9,81м/с2, наибольшее – на полюсе–9,8322 м/с2, (наименьшее – на экваторе – 9,7805 м/с2. Изменение ускорения от полюса к экватору объясняется тем, что экваториальный радиус Земли на 21км больше полярного, а чем больше радиус, тем меньше притяжение. Кроме того, на экваторе максимально центробежное ускорение, которое вычитается из ускорения притяжения.

При удалении от поверхности Земли ускорение свободного падения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли 
gh=g[R/(R+h)]2, где gh – ускорение на высоте h; g – ускорение на поверхности Земли; R – радиус Земли.

Ускорение силы тяжести внутри Земли изменяется по более сложной закономерности: от 9,82 м/с2 у поверхности Земли до максимального значения 10,68 м/с2 в основании нижней мантии на глубине 2900 км. В ядре ускорение силы тяжести начинает быстро уменьшаться, доходя на границе между внешним и внутренним ядром до 4,52 м/с2, на глубине 6000 км – до 1,26 м/с2 .и в центре Земли – до нуля. Такое изменение ускорения силы тяжести при продвижении, в глубь Земли является следствием двух причин. С одной стороны, к центру Земли сила притяжения возрастает обратно пропорционально квадрату радиуса, с другой – убывает пропорционально уменьшению массы, так как выше – расположенные слои на данную продвигающуюся вглубь точку не действуют.

Абсолютные измерения ускорения силы тяжести сопряжены со многими техническими трудностями и поэтому выполняются в редких пунктах, преимущественно в обсерваториях. Аппаратура для абсолютных измерений является сложной, громоздкой и обладает большой массой – многие сотни килограммов. Наиболее надежно абсолютное измерение ускорения силы тяжести проведены в Потсдаме, Вашингтоне, Теддингтоне и Пулково.

Для определения абсолютных значений ускорения силы тяжести используют маятниковый метод и метод свободного падения тела. Еще в 1673 г. нидерландский физик и математик X. Гюйгенс выяснил зависимость между ускорением силы тяжести и периодом колебания маятника: 
. Из формулы следует, что если измерить период колебания маятника Т и его длину l, то можно вычислить g.

Сложность и громоздкость абсолютных определений ускорения силы тяжести маятниковым методом заключается в том, что для определения этой величины с высокой точностью (например, до 0,1 мГал) длина маятника должна быть измерена с точностью до микрона, а период колебания – с точностью до 10-7 с. Измерить с такой точностью эти параметры очень сложно. Кроме того, в результаты маятниковых наблюдений необходимо вводить поправки за плотность воздуха, за температуру, за ход хронометра, с помощью которого определяется период колебания маятника, и др.

В основе определения ускорения силы тяжести методом свободного падения тел лежит известная зависимость пути падающего тела S от времени t: S=gt2/2.

Для определения g; этим методом надо знать путь, пройденный телом, и время. Этот способ был использован еще Галилеем, но только в последние годы техника эксперимента улучшилась настолько, что он стал давать вполне удовлетворительные результаты.

Страницы:    предыдущая   12345   следующая
Поиск по сайту

Предметы