1.2 Открытие закона гравитации Ньютоном

Открытие закона всемирного тяготения стало возможным лишь в итоге развития цепочки идей. Существенный шаг в понимании тяготения был сделан в учении Коперника, согласно которому тяжесть существует не только на Земле, но и на других небесных телах. Далее необходимо было избавиться от заблуждения, будто скорость падения тел зависит от их массы.

Известно, что наблюдения Галилея за падением тел с Пизанской башни были начаты примерно в 1589 г. Важную роль сыграли работы Иоганна Кеплера. В 1596 г. вышла его первая научная работа «Космографическая тайна», в которой он начал поиск числовых закономерностей в характеристиках орбит планет Солнечной системы. В 1602 г. Кеплер пришел к открытию второго закона движения планет (площади, описываемые радиус-векторами Солнце--планета в равные промежутки времени, равны между собой). А в 1605 г. Кеплер открыл закон, названный впоследствии первым (Солнце находится в фокусе эллиптических орбит).

Ряд авторов утверждают, что Ньютон пришел к открытию закона всемирного тяготения

(1.2.1)

где F - сила гравитационного притяжения, Н;

G - гравитационная постоянная, мі/(кг сІ);

m₁ - масса первого тела, кг;

m₂ - масса второго тела, кг;

R - расстояние между телами, м.

В период от 1667 до 1670 г., но в течение значительного времени этот результат не публиковал. Независимо от Ньютона в это же время к открытию закона всемирного тяготения вплотную подошли Роберт Гук, Джованни Борелли и Христиан Гюйген. Известно, что в 1674 г. Гук опубликовал этюд о движении Земли, в котором качественно формулировались идеи закона тяготения, однако полагалось, что сила убывает обратно пропорционально первой степени расстояния. В 1680 г. Гук в письме Ньютону указал уже правильный закон -- убывание силы обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда Ньютон в 1686 г. представил в Королевское общество рукопись «Математических начал натуральной философии», где им впервые опубликован и закон всемирного тяготения, Гук потребовал признания своего приоритета. На это Ньютон заявил, что этот закон был ему известен уже 20 лет, сославшись при этом на свое письмо Гюйгенсу, переданное через секретаря Королевского общества.

С открытием закона всемирного тяготения более четко оформилось направление мысли о смысле массы. С одной стороны, массу можно определить, измеряя силу притяжения данного тела к некоторому эталонному. Полученная таким образом величина характеризует гравитационные свойства тела -- его способность притягиваться к другому телу, т. е. так называемая гравитационная (тяжелая) масса находится из закона всемирного тяготения. С другой стороны, массу тела можно определить из второго закона Ньютона, измеряя ускорение которое приобретает тело под действием заданной эталонной силы. Получаемая таким образом величина характеризует инертные свойства тела -- способность тела сохранять свою скорость. Эту величину называют инертной массой. Ньютон проводил опыты с маятниками, доказав, что период их колебаний не зависит от значения массы. На основании этих экспериментальных фактов Ньютон не ввел различий в понятиях масс во втором законе и в законе всемирного тяготения. Это равенство масс не следует ниоткуда, кроме опыта; более того, сам физический смысл этих понятий в корне различен: гравитационная масса, по существу, гравитационный заряд тела, а инертная масса -- мера «сопротивления» этого тела действию силы.

К закону обратной пропорциональности квадрату расстояния Ньютона привела потребность понять явление движения планет и спутников в Солнечной системе.