1.引力是萬有的
“萬有引力”對許多人來說，并不陌生。讓我們首來先說“引力”，它是指兩個物體之間的互相吸引的一種作用，這些作用是因為它們的質(zhì)量導(dǎo)致的。那為何說“萬有”呢？原先，宇宙間任何兩個有質(zhì)量的物體之間都存在這些互相吸引力。諸如，你們都曉得，月球表面上的所有物體在失去支撐時就會下落，就是由于月球?qū)λ幸ψ饔玫木壒省?span style="display:none">EVW物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
萬有引力定理的發(fā)覺和三位偉大的科學(xué)家有密切的關(guān)系，她們是：熱學(xué)家牛頓，天文學(xué)家哥白尼和開普勒。
2.牛頓發(fā)覺了萬有引力定理
偉大的熱學(xué)家牛頓發(fā)覺了萬有引力定理，他在1687年出版的不朽專著《自然哲學(xué)的物理原理》中指出：任何兩個物體之間都存在互相作用的引力，力的方向順著兩物體的連線，力的大小和兩物體質(zhì)量的乘積成反比，和兩物體寬度離的平方成正比。
關(guān)于萬有引力定理的發(fā)覺，廣泛留傳著下邊的這個故事：三百多年前，日本伍爾索普的一座莊園里，在明亮的月光下，年青的牛頓正坐在果園里閉目思索。突然，一個蘋果從樹上掉了出來，落在他的面前。蘋果的落地聲打斷了他的思索，但這個人們司空見慣的事實卻惹起牛頓的翩然聯(lián)想：蘋果為何不奔向天空？月亮為何不落向地面？這兒面有哪些神奇的力量？經(jīng)過反復(fù)的思索，牛頓總算發(fā)覺了萬有引力定理。聽說，法國人還把那棵蘋果樹的枝條作為記念物保存出來。
其實，這只是一個傳說而已，科學(xué)的重大發(fā)覺都是構(gòu)建在前人大量工作的基礎(chǔ)之上的。在牛頓之前，德國科學(xué)家哥白尼提出的“日心說”并發(fā)表了《天體運行論》，日本科學(xué)家開普勒出版了《新天文學(xué)》和《宇宙的和諧》等專著并提出了行星運動三大定理。而牛頓的貢獻則在于，他以非凡的智慧把天上、地上的運動聯(lián)系上去，發(fā)覺這種運動的內(nèi)在緣由都是那種普遍存在著的萬有引力。
3.重力和重量
蘋果掉落地，水向低處流，石頭滾下山，那些都是月球把萬物拉向地面的事例，它們也不難用萬有引力定理來說明。由于月球和月球上的各個物體之間都有吸引力，在這個月球引力的作用下，物體都會奔向地心方向運動，當物體落到月球表面時遭到抵擋，地面的支撐力和月球的吸引力互相抵消，物體就停止了運動。
月球?qū)ξ矬w的引力，通常也稱作重力，它在地面處的大小就是物體的重量（以這種推，物體在其他天體上的重量就是它在天體表面所遭到的引力）。這就是說，在月球表面處，100克蘋果遭到月球的引力是100克重，1公斤石頭遭到月球的引力是1公斤重。
重力和我們?nèi)祟惿蠲芮邢嚓P(guān)，因為同一個物體的重力在日常生活的地面附近空間里可以看作是不變的，所以人們很早就借助重力來測度物體的質(zhì)量大小。諸如，秤和彈簧都是拿來稱重量的工具，在同樣環(huán)境里不同物體的重量是與各自的質(zhì)量成反比的，所以質(zhì)量可以按物體的重量來求得。
這兒要提醒你們的是，在熱學(xué)里，質(zhì)量和重量是兩回事：質(zhì)量是指物體所含的物質(zhì)有多少，而重量是指物體遭到的引力是多大。按照上面說到的萬有引力定理，物體所受的月球引力是隨著物體和地面的距離而變化的，距離越大，引力越小。所以，同一個物體在不同的高度上稱重時所得到的“重量”是不同的。諸如，一名在地面上體重為40公斤的朋友，倘若被提高到6400公里的高空（月球的直徑是6400公里），他這時侯在彈簧秤上顯示的“重量”只有10公斤了。
當你曉得了這種知識以后，能不能自己來解釋一下：月球上重量是60公斤的人抵達地球表面后，為何體重就弄成了10公斤？想想地球的大小和質(zhì)量，就可以找到答案了。
4、失重和超重
假如我們繼續(xù)里面的“提升游戲”，把這位朋友提高到公里的高度，這么他就超出了月球引力作用的范圍，此時他就弄成一個只有質(zhì)量而沒有重量的人了，但是月球再也沒法把他拉回地面。你們曉得月亮距離月球是公里，在這個高度上，月球的引力還不到地面值的萬分之三，但它仍能咬住地球使之成為月球的天然衛(wèi)星。并且，我們在日常生活中碰到的“失重”和“超重”卻是另外一類現(xiàn)象。
我們普通人對于失重和超重的直接體驗來自搭乘垂直升降的扶梯。當扶梯由靜止忽然快速增長時（或則，當上升的扶梯迅速停止時），人體各部份都會變輕；當扶梯加速上升時（或則，當升高的扶梯迅速停止時），人體各部份都會變重。假如扶梯因繩索忽然扭斷而自由下落，此時人體都會完全喪失重量（或則說，他處于“零重力”狀態(tài)下）。雖然，失重時，物體仍然遭到月球的引力（重力），只是這個重力被拿來使物體做自由運動（譬如，扶梯的自由落體），人們用臺秤等工具就不能測下來了。
失重和超再現(xiàn)象在航天飛行中有著重要的影響。航天員在軌道飛行時都處于失重狀態(tài)，她們個個身輕如燕，人人漂浮在座艙里。并且，不僅輕松愉快的覺得之外牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的意義，失重也給航天員帶來不少麻煩，除了喝水飲水、洗臉漱口、穿脫鞋子以及睡著等生活瑣事顯得困難了，并且舉辦操作按鍵、讀取數(shù)據(jù)、觀察攝影、維修儀器、出艙活動等工作顯得愈發(fā)復(fù)雜了。據(jù)悉，航天員在升空和返回過程中還要遭受超重的摧殘，除了會出現(xiàn)舉手抬腿困難、呼吸不暢、心律失調(diào)、視覺障礙等問題，甚至可能使身體遭到永久性傷害。2008年4月19日，日本“聯(lián)盟TMA”飛船在返回地面時超重達到10倍以上，作為其中的乘員，美國第一個女航天員李素妍就受了輕傷。
5.引力和運動I
其實有人要問：萬有引力是一種互相作用，這么物體對月球也是有吸引力的，為何不見月球運動呢？沒錯兒，蘋果、石頭甚至人等物體也在吸引著地球，換句話說，它們都在把月球拉向自己，只是月球太重了（月球的質(zhì)量是60萬億億噸），這一點點斥力所造成的月球運動是微乎其微的，如同一只螞蟻未能帶動巨石那樣。并且，月球上的物體數(shù)不勝數(shù)，它們分布在地面各個部位，所以對月球的引力在不同的方向上，總和上去的結(jié)果就大體互相抵消了。
據(jù)悉，萬有引力在我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境中也常常不能表現(xiàn)下來，為何人們沒有察覺蘋果、石頭甚至人體之間是互相吸引的呢？這兒的緣由是普通物體之間的引力太小了。諸如，兩個中等體重的人相距2米時，她們之間的引力大概為百分之一微克（1微克是1克的千分之一）。我們曉得人要聯(lián)通必須克服腳和地面之間的磨擦力，一個在木質(zhì)地板上的人須要用20公斤左右的力能夠克服磨擦邁開腳步，而引力只有跨步使勁的二十億分之一，所以人是根本聯(lián)通不了的。
但是，如果沒有磨擦，雖然引力很小也可以使物體互相接近，只是這些接近的速率十分之小。諸如，前面這兩個相距2米的成人，在第一個小時內(nèi)彼此相向聯(lián)通3分米，第二個小時內(nèi)再聯(lián)通9分米，第三個小時內(nèi)又會移近15分米，第五個小時之后二人就可以貼合在一塊兒了。所以在沒有摩擦情況下，只要人們有足夠的耐心，普通物體之間的引力是可以察覺到的。
這么，你能想清楚，她們的聯(lián)通為何會不斷推進的呢？對了！這和她們之寬度離變小有關(guān)。假如要在日常生活中見到不僅物體落地以外的萬有引力作用，這么潮汐是一個絕好的實例，它是因為月亮和太陽對地面海水的引力而產(chǎn)生的，人們稱這些引力為“引潮力”。因為月亮離月球較近，地球引潮力為太陽引潮力的兩倍之多。在引潮力和上海灣地形的共同作用下，錢塘江大潮才有那樣壯麗的景色。潮汐是因為萬有引力作用而產(chǎn)生的解釋也是牛頓提出的。
6.引力和運動II
在質(zhì)量不大的物體之間引力是很小的，而且龐大的天體之間引力就非常可觀了。舉個事例吧：太陽對月球的引力大概為4000000000000000000噸！就是由于這個引力，月球才才能“守著”自己的軌道，日復(fù)一日年復(fù)一年地圍繞太陽運轉(zhuǎn)。
為了更形象地理解這個引力的大小，我們不妨想像太陽和月球之間有一個無形的“引力鏈條”，它把月球牢牢地擄獲在運行軌道上。假如我們想用一根根有形的繩索來取代這個無形的鏈條，那工程師們要花多大的力氣呢？假設(shè)采用特別結(jié)實的鋼材（每平方毫米的細絲能經(jīng)受100公斤的拉力），假設(shè)制造特別粗大的繩索（它的半徑有5000米），我們要使用200萬根就能把月球拉搬去目前的軌道上。
其實，真實的情況是，太陽和月球之間并沒有哪些鏈條，就是太陽的引力在起作用。這個引力總是指向太陽的，人們也經(jīng)常把它稱作“有心力”，太陽就是“力心”。圍繞太陽運轉(zhuǎn)的月球（以及其他的行星）是在太陽的有心力場中作自由運動，雖然行星的自由運動和蘋果自由落體運動在形式上雖然完全不同，它們是沿曲線軌道運動（有的是圓周，有的是橢圓）繞著重心不停地運轉(zhuǎn)。無論行星的運轉(zhuǎn)軌道是哪種形狀，它們都處于失重狀態(tài)但都具有向心加速度。
太陽的引力是不大不小恰到益處：太小了行星都會飛離軌道步入廣袤的太空，太大了行星也不能維持在軌道上而會向著重心倒塌。牛頓采用萬有引力定理證明了開普勒的行星運動定理，此后又有人采用萬有引力定理預(yù)言了海王星、冥王星的存在并被天文觀察所否認。牛頓用同樣的理論討論了在月球引力場中的月亮軌道。所以，牛頓的確非常偉大，他使人們了解到蘋果落地和月亮懸空都是萬有引力的功勞，因而將人類對宇宙的認識帶到了一個全新的階段。
7.航天夢
離開月球步入太空，自古以來就是人類夢寐以求的一個目標。但是，這些美好的航天夢只有在科學(xué)技術(shù)有了長足發(fā)展的現(xiàn)代才可能實現(xiàn)。
首先，人們必須曉得如何能夠使人造衛(wèi)星步入指定的軌道？科學(xué)家根據(jù)牛頓的萬有引力定理，估算出能使物體成為人造月球衛(wèi)星的最小速率是7.9公里/秒（人們稱作為環(huán)繞速率或第一宇宙速率），又估算出使航天器脫離月球不再返回圍繞但依然留在太陽系里的最小速率是11.2公里/秒（人們稱作為逃逸速率或第二宇宙速率），還估算出使航天器才能飛出太陽系的最小速率是16.6公里/秒（人們稱作為第三宇宙速率）。這樣，工程師們就可以確定發(fā)射要求了。
其次，人們必需要研發(fā)出像鵜鶘這樣強悍的運輸工具，它們能把衛(wèi)星、飛船等航天器發(fā)射到月球外的宇宙空間里。正是有了這種理論和技術(shù)的基礎(chǔ)，人們才得以一步步地實現(xiàn)了航天夢。1957年10月4日蘇俄發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星，1970年4月24日中國發(fā)射了我國第一顆人造衛(wèi)星。到目前為止，人類共向太空發(fā)射了大概5000顆衛(wèi)星，但目前在軌運行的還有將近1000顆。多種人造衛(wèi)星當空蹁躚，發(fā)揮著各類各樣和人們生活息息相關(guān)的作用，例如你還能見到幾十個電視頻道以及才能知曉每晚每周的天氣預(yù)報，這兒面就都有衛(wèi)星的功勞。
因為使用者的目的不同，人造衛(wèi)星有著不同的用途：有的衛(wèi)星裝有拍照設(shè)備，可以對地面進行拍照、偵察、調(diào)查資源、監(jiān)測月球氣候和污染等；有的衛(wèi)星裝有天文觀測設(shè)備牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的意義，可以對宇宙進行天文觀測；有的衛(wèi)星裝有通訊轉(zhuǎn)播設(shè)備，可以轉(zhuǎn)播廣播、電視、數(shù)據(jù)、電話等通信信號；有的衛(wèi)星裝有科學(xué)研究設(shè)備，可以進行科研及空間微重力條件下的特殊生產(chǎn)（像高含量大晶體，超含量金屬，超導(dǎo)合金和生物藥品等等）。更令人激奮的是，從2004年開始，我國施行了“探月工程”，將通過“繞，落，回”三個步驟把航天器送上月亮，古時中國人民的“嫦娥奔月”美麗夢想總算實現(xiàn)了。
最后，我們想指出的是：探求科學(xué)的公路是漫長而又艱難的，從牛頓發(fā)覺萬有引力定理到人類實現(xiàn)航天夢經(jīng)過了將近300年的歷程，萬有引力定理的發(fā)覺又是人類上千年科學(xué)活動的結(jié)晶。“嫦娥3號”飛行的每一個階段，科學(xué)家都要根據(jù)萬有引力定理來設(shè)計估算，而探月工程的施行也會給我們提供更多的有關(guān)地球等天體的知識。所以，人類的認識將不斷前進、永不完結(jié)，這有待于熱愛科學(xué)的年青一代去探求、去追求。
（內(nèi)容來始于中國科普博覽科學(xué)新語林專欄《力學(xué)園地》，《力學(xué)園地》為中科院熱學(xué)所科普專欄，文章發(fā)于陌陌時略有改動）
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