¿Por qué dos bolas de hierro de diferente masa golpean el suelo al mismo tiempo?

En 1590, Galileo Galileo realizó un experimento de "dos bolas de hierro que caían al mismo tiempo" en la Torre Inclinada de Pisa, y llegó a la conclusión de que dos bolas de hierro de diferentes pesos caían al mismo tiempo, anulando la "velocidad de caída" de Aristóteles. de un objeto depende de su peso." La teoría de la "directamente proporcional" ha corregido esta conclusión errónea que ha durado más de 1900 años. Galileo realizó muchos experimentos sobre caída libre. Se paró en una torre inclinada, dejó caer objetos de diferentes materiales desde lo alto y midió la diferencia en el tiempo de caída. Se encontró que varios objetos cayeron al suelo al mismo tiempo, sin ningún orden en particular. En otras palabras, el movimiento de caída no tiene nada que ver con las características específicas del objeto. Ya sea que la bola de madera o la bola de hierro caigan de la torre al mismo tiempo, llegarán al suelo al mismo tiempo. A través de repetidos experimentos, Galileo creía que si no se considera la resistencia del aire, las velocidades de caída libre de los objetos ligeros y pesados ​​son las mismas, es decir, la magnitud de la aceleración debida a la gravedad es la misma.

Si analizamos la ley del movimiento de caída libre a partir de la ley de gravitación universal de Newton, dos objetos cualesquiera siguen la ley de gravitación universal. Dos objetos con pesos diferentes obtendrán la misma aceleración cuando caigan libremente en la Tierra. campo gravitacional, por lo que el experimento Los resultados muestran que dos bolas que golpean el suelo al mismo tiempo son consistentes con la ley de la gravedad. En otras palabras, las conclusiones experimentales de Galileo son completamente consistentes con el análisis teórico basado en la ley de la gravitación universal. Desde esta perspectiva, el experimento de Galileo fue correcto. Sin embargo, se requieren ciertas condiciones para que la ley de la gravitación universal quede plenamente establecida. Se debe suponer que la interacción entre dos objetos neutros cualesquiera cumple completamente con la ley de la gravitación universal, y que las reglas de interacción de los campos de dos objetos cualesquiera son exactamente las mismas que las del campo terrestre, pero este no es el caso. .

La fórmula de la aceleración debida a la gravedad se puede derivar de la ley de gravitación universal de Newton.

Cuando un objeto sobre la Tierra describe su movimiento utilizando el centro de la Tierra como punto de referencia, se mueve en un círculo uniforme alrededor de la Tierra. La fuerza neta ejercida sobre un objeto en una dirección conectada al centro de la Tierra es la fuerza centrípeta dirigida hacia el centro de la Tierra. Esta fuerza centrípeta es proporcionada por la fuerza gravitacional entre el objeto y la Tierra, que es F dirección = F millones. Según la fórmula de la segunda ley de Newton seguida de la fuerza centrípeta: F=mg y la fórmula de la ley de gravitación universal: disponible,

(cuando R gt gt es pequeño)

En la fórmula anterior, m es la masa de la Tierra, m es la masa del objeto, r es el radio de la Tierra, h es la altura del objeto desde el suelo, g es la aceleración centrípeta producida por el objeto. movimiento circular uniforme alrededor de la Tierra, que es la aceleración gravitacional del objeto aquí, y g es la constante de gravedad.

Echemos un vistazo a la caída libre de objetos sobre el suelo. En este caso, la atracción gravitacional de la Tierra sobre el objeto es mayor que la fuerza centrípeta requerida para que el objeto se mueva en un círculo uniforme alrededor de la Tierra en esta posición, por lo que el objeto estará en estado de caída libre. La fuerza neta sobre un objeto en caída libre sigue siendo: f = F millones.

Se puede ver en la fórmula de aceleración gravitacional de los objetos derivada anteriormente que la aceleración gravitacional obtenida por dos objetos con la misma altura sobre el suelo es exactamente la misma independientemente de su masa, tamaño, estructura y densidad. .

Porque según la ley de interacción entre campos, la interacción gravitacional entre objetos en realidad funciona con la ayuda de los campos entre objetos. Asimismo, la fuerza gravitacional entre dos objetos cualesquiera y la Tierra también funciona con la ayuda de campos. Sólo cuando la interacción gravitacional entre los propios campos de dos objetos y el campo de golf tiene exactamente las mismas reglas, se puede establecer estrictamente la ley de la gravedad, y la aceleración gravitacional siempre puede ser exactamente la misma y las dos bolas pueden golpear el suelo. al mismo tiempo. Sin embargo, la realidad es que la ley de la gravedad es sólo una aproximación. En términos generales, la interacción entre dos campos de objetos y el campo de golf no sigue estrictamente la ley de la gravitación universal y habrá algunas diferencias en la aceleración de la gravedad. Por lo tanto, dos objetos cualesquiera no siempre caen desde la misma altura al mismo tiempo.

Según la teoría del núcleo y el campo de la materia, la esencia de la gravedad es la fuerza del campo eléctrico. La fuerza gravitacional entre dos objetos sólo depende de la estructura y el tamaño del campo del objeto, y del tamaño del campo gravitacional. La fuerza depende principalmente de la ubicación de los dos objetos. La cantidad del campo eléctrico depende de la suma de las dos cargas del objeto (podemos llamar a la suma de las cargas positivas y negativas en un objeto neutro la suma de las dos cargas). del objeto). En términos generales, cuantos más fotones de campo eléctrico lleve un objeto, mayor será la suma de sus cargas eléctricas. El número de fotones en el campo eléctrico refleja en gran medida la carga total del objeto.

La gravedad no está directamente relacionada con la masa del objeto (principalmente la masa del núcleo desnudo). Por lo tanto, para dos objetos en la Tierra con la misma masa (principalmente el mismo número de núcleos desnudos), cuanto más grande es el objeto con carga anfótera, mayor es la gravedad de la Tierra; cuanto más pequeño es el objeto con carga anfótera, menor es la gravedad de la Tierra; Dos objetos con la misma masa y diferentes propiedades estructurales en la Tierra reciben diferentes aceleraciones debido a la gravedad.

En comparación con los objetos neutros compuestos por núcleos desnudos de partículas eléctricas, un único núcleo libre y desnudo de partículas eléctricas, como un electrón o un protón, tiene la mayor capacidad de obtener un campo eléctrico en el mismo campo externo. Medio ambiente, y también puede obtener la mayor cantidad de electricidad. Para dos objetos neutros, cuando el número de núcleos desnudos de partículas positivas y negativas en cada objeto neutro es exactamente igual al del otro objeto, es decir, cuando la masa total de los núcleos desnudos de los dos objetos es exactamente la misma, el objeto con una estructura suelta es mejor que el objeto con una estructura apretada. Un objeto tiene una mayor capacidad para obtener un campo eléctrico del entorno espacial externo, por lo que la proporción de la carga total del objeto (la suma de las cargas de ambos sexos). ) a su propia masa (que puede denominarse relación carga-masa de un objeto neutro) también es mayor. Luego, cuando interactúa con otro objeto, como la Tierra (campo eléctrico), también se ve afectado por la gravedad terrestre y la aceleración también es grande. Con base en esto, se puede inferir que para dos objetos con la misma masa, el objeto con estructura suelta y baja densidad experimentará una mayor aceleración gravitacional que el objeto con estructura apretada y alta densidad, y llegará primero al suelo. .

Debido a diferencias en la estructura material, como diferencias en los elementos constituyentes, los núcleos de los elementos ligeros tienen capacidades de carga más fuertes que los elementos de la tabla periódica, y los núcleos de los elementos ligeros tienen más campos eléctricos por unidad. Gravedad específica de la masa Los fotones tienen una gran capacidad para atraer electrones fuera del núcleo atómico. El átomo completo también absorbe más fotones del campo eléctrico del espacio circundante. Por lo tanto, los materiales de elementos ligeros y los materiales de elementos pesados ​​tienen diferentes propiedades gravitacionales en el mismo campo gravitacional. como el campo terrestre. Produce diferentes aceleraciones gravitacionales g=F/m. La aceleración gravitacional generada por sustancias de elementos ligeros o núcleos de elementos cuando caen libremente en el mismo campo gravitacional es mayor que la de las sustancias de elementos ligeros o núcleos de elementos. el suelo primero.

La cuestión de si las dos bolas impactan en el suelo al mismo tiempo y el principio de equivalencia deben analizarse desde la microestructura e interacción de la materia. Si pudiéramos hacer experimentos sobre la caída libre de electrones y protones, no caerían al mismo tiempo. Teóricamente, se puede saber que la fuerza gravitacional de los electrones es igual a la de los protones, pero la masa de los electrones es menor que la masa de los protones. Por lo tanto, se puede predecir que los electrones ganarán mayor aceleración que los protones y llegarán al suelo. primero.

Las condiciones clave para rehacer el experimento de caída libre son: diferentes densidades estructurales, una distancia suficientemente larga entre el vacío y la caída y un control estricto de las condiciones para garantizar la precisión del experimento.