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24 重力常量的共核慣量守恒定律計算式,讓重力計算無需重力常量

2024-07-29科學

引言:

首先要明白:牛頓發現的萬有重力定律僅僅是一個猜想定律,重力與距離平方成反比的猜想最先應該是英國的虎克,這也是牛頓與虎克之爭的故事緣由。

當然,虎克包括牛頓在內提出重力與距離成反比的理論時,發現計算結果與實際情況並不相符,為此,牛頓在萬有重力定律中設定了一個參量,這就是重力常量,以此來詮釋與實際計算結果不符。

在萬有重力定律中:

(引言1)

G就是萬有重力定律中牛頓設定的重力常量參量,顯然,要計算出兩個質素物體的重力大小,在給定質素與距離後,如果不給出重力常量值,仍是無法計算出重力大小的。

若無法測定或計算推匯出重力常量,那麽萬有重力定律永遠就是一個猜想式,並沒有任何實際套用價值。

為此,牛頓畢其一生力圖找到這個重力常量,但很遺憾都失敗了。

直到牛頓逝世100多年後的1798年,英國物理學家卡文迪許透過扭稱實驗測定出這個重力常量,從此,萬有重力定律才有了實際作用,從此讓天文學進入了一個數學計算時代。

本篇文章將從共核慣量守恒定律出發,論證以下三點:

一是透過共核慣量守恒定律推匯出重力常量計算公式,從此宣告重力常量不僅僅依靠實驗來測定,而是可以透過計算來求得。

二是推匯出更多的重力計算公式,以此來替代萬有重力定律,新的重力計算式完全無需重力常量就可以直接計算。

三是明確經典物理學定義的重力是根本不存在的,一切質素物體因為運動而具有能量,力是能量作用效果,這稱為運動力,而重力的本質就是宇宙天體作永恒共核運動而產生的運動力。

24.1巧妙的卡文迪許扭稱實驗

先看卡文迪許設計的實驗裝置圖(24-1-1):

(24-1-1)

在上圖裝置實驗中,透過懸掛兩個小質素的鉛球讓其平衡,然後在其旁邊放置兩個大質素鉛球,透過大鉛球對小鉛球吸引使得平衡桿發生偏轉產生偏轉角,透過鏡面光線反射放大偏轉角以便於觀察,從而計算出力矩大小而計算出重力F,再將計算得到的重力F代入萬有重力定律中,從而求得重力常量。

其測量計算的推導式是:

(24.1.1)

這樣,只有G為未知量,變形計算式即可求得重力常量值。

這就是物理學重力常量測量的扭稱實驗,首創應為妙思為測定磁力大小變化而設計的扭稱實驗裝置,後來還有為測定點電荷之間作用力的庫倫扭稱實驗。

重力常量測定實驗的實際意義就是完善了萬有重力定律,從而使得萬有重力定律具有了實際套用,特別是在天文學中能夠計算出天體之間的重力,以及天體的質素,因此卡文迪許被稱為第一個測定地球質素的物理學家。

同時,卡文迪許對重力常量的測定,確定了萬有重力學說的地位,驗證了萬有重力的存在。

24.2共核慣量守恒定律的基本內容

先要了解共核慣量守恒定律的基本內容:

宇宙內所有運動其參照系都可確定為一個點或軸為核心的共核運動,在不受任何外作用下物體都將作永恒的共核運動,且其任意時刻軌跡點上的共核慣量守恒,這就是共核慣量守恒定律

共核運動中參照系的點(軸)叫做 核心, 物體質素、核心距離與速度平方的乘積叫做 共核慣量,共核慣量的表達是:

(24.1.1)

在確定的共核系內不受外作用下時,把滿足任意時刻軌跡點上共核慣量守恒的共核運動,稱為 共核慣性運動;

在共核慣性運動中,任意時刻軌跡點上核心距離與速度平方的乘積恒等於一個常量q,叫做 共核常量。

在天體運動中,公轉、自轉和自由落體(拋體)運動都是確定共核系中不同形式的共核慣性運動,因此其任意時刻軌跡點上的共核慣量守恒,共核常量恒等,這樣就有 天體運動的共核常量恒等方程式

(24.1.2)

宇宙所有運動形式都可歸結為共核運動,包括且不限於以下形式:

天體公轉 是相對於一虛點的周期環繞運動; 天體自轉 是相對於一虛軸的周期旋轉運動; 自由落體運動 是趨近一虛點的向心運動; 自由拋體運動 是遠離一虛點的離心運動; 螺線旋轉運動 是繞軸運動;

總之,所有旋轉運動要麽是繞軸運動,要麽是繞點運動。

同時,水波、聲波、電磁波等波動都是以震蕩點為核心點的離心震蕩運動;繩子震蕩等震動波是以虛軸為核心的周期漸進運動;

特別提及的是:直線運動是平行於虛軸的等核心距離平移運動;而水平直線運動中的水平面是海平面,水平直線是水平弧線,地球上的水平直線運動的實質是繞地心的等地球半徑的圓周運動。

因此,共核慣性運動的路徑可以是曲線運動,也可以是直線運動;而速率可以是勻速運動,也可以是變速運動。

總之,宇宙一切運動的參照系不再需要去選定相對靜止的參照系,而是把相對同一核心(點或軸)作共核運動,以同一核心為參照作共核運動的質素物體就構成 共核系

例如以地心或地球自轉軸為核心構成的地月共核系;以日心或太陽自轉軸為核心的太陽共核系等等。

24.3共核慣量守恒定律下重力常量的計算運算式

天體運動中,所有天體及其質素物體總是相對一個或多個核心在作共核慣性運動,無論是公轉、自轉和自由落體(拋體)運動,其任意時刻軌跡點上的共核常量恒等,因此有天體運動共核常量恒等方程式,即:

(24.3.1)

在共核常量方程式中,只要已知兩個天體參數,即可求出任意一個共核系的共核常量值,當然,不同的共核系有不同的共核常量值,如圖表(24-3-1)。

(24-3-1)

在共核慣量守恒定律下,重力常量的概念就是:

在確定的共核系中,共核常量與核心天體的質素比,就是重力常量,其運算式是:

(24.3.2)

例如:在地月系中,核心天體的質素是地球質素,因此,已知地月系共核常量和地球質素,即可求出重力常量,即:

(24.3.3)

再如:在共核太陽系已知共核太陽系常量值和太陽質素,則重力常量G是:

(24.3.4)

顯然,共核地月系和共核太陽系是兩個不同的共核系,共核常量和核心天體質素不等,但是重力常量卻恒等不變。

為此,列表多個不同共核系重力常量與其它參量的關系表如下(24-3-2):

(24-3-2)

在上表中,不同的共核系中的共核常量值不同,核心天體的質素不等,但重力常量值恒定,這是因為任何一個共核系的共核常量恒定,而核心天體的質素不變,那麽其比值必然是定值,這就是重力常量共核慣量守恒定律下的運算式的推導。

這樣,重力常量從卡文迪許的扭稱實驗測定到利用公式計算得到,從而給出了重力常量數學運算式與本質詮釋。

24.4 萬有重力的本質就是共核慣量守恒定律下的運動力

在天體自轉、公轉和自由落體(拋體)運動都是共核慣性運動,有了共核常量恒等方程式,那麽這些不同運動形式的任意時刻軌跡點上就有確定的共核慣量值,即有:

(24.4.1)

在共核慣性運動中,任意時刻軌跡點上的共核慣量是守恒的,即單位質素物體的共核慣量是恒等值,但是天體公轉運動一般是橢圓軌跡線的變速運動,而自由落體運動是加速的直線向心運動,因此其軌跡點上的運動速度和核心距離是不等的,因此其任意軌跡點上的能量也是不相等的。

而當認定力是物體運動具有能量後的作用效果,那麽天體的共核慣性運動其任意時刻軌跡點上則具有力,這個力 叫做運動力。

把作共核運動任意時刻軌跡點上的共核慣量與核心距離平方的比,表示共核運動力中任意軌跡點力的大小,即運動力的運算式是:

(24.4.2)

容易發現,運動力計算具有多個運算式,而最後一項就是萬有重力定律運算式,這實際上完成了運動力與萬有重力的統一,表示在天體運動中存在永恒的共核運動,而共核運動在其任意空間位置點上具有運動力,而這個運動力就是重力, 這就是重力本質。

這樣重力計算具有多樣化和更簡易的計算方式,並不一定需要重力常量。

經典物理學定義力是物體與物體的作用,而共核慣量守恒定律下確定運動物體則具有力,力是運動物體具有能量而具有的作用效果,是運動物體本身具有的,而非外來的超距力,物體相互作用不會產生力,但會實作力的傳遞。

必須明確:在經典物理學中定義質素物體相互吸引的重力是虛構不存在的,重力的施力物體是共核運動質素物體本身,而否超距的外在地球(天體或質素物體)所施加,正是因為虛構的重力與運動力大小相等,方向一致而被誤讀

確定核心為參照系後,宇宙所有天體或質素物體將永恒的作共核慣性運動而保持其共核慣量守恒,因此根本不存在靜止狀態的質素物體,而永恒的共核慣性運動則具有運動力,因此運動力無處不在而不會消失,當把運動力誤讀為重力後,重力自然也就無處不在,也無法擺脫。

關於重力本質問題的詮釋和計算請讀者關註並翻看合集內容第6篇和第23篇文章。

24.5如何詮釋卡文迪許實驗中的鉛球互相吸引

質素物體並不產生相互之間的重力,或者說質素物體之間的超距的重力根本不存在,那麽卡文迪許實驗的扭稱偏轉又是怎麽回事?又怎麽能測量出重力常量呢?

首先必須明確的是:重力常量不是因為質素物體之間存在重力而具有,重力常量的本質是共核系變換或共核系相互作用時的一個顯現量, 這涉及到共核系變換中的重力捕捉和重力彈弓效應。

任意一個獨立的共核系都有其確定的共核常量,一個獨立的共核空間所有質素物體相對同一核心作共核運動,當不受任何外作用下,其任意空間位置點的運動軌跡點的共核慣量守恒,共核常量恒等。

無論是天體還是質素物體,其鄰近周邊總是在一定範圍記憶體在其它天體或質素物體,那麽任何一個共核系的空間就不是無限的,而是受到鄰近天體或質素物體的共核系共存擠壓。

一個確定共核系與鄰近共核系的空間區域分界線叫做 重力分界線。

在重力分界線內的共核系空間,其共核運動中的共核慣量守恒,而越過重力分界線後將受到外共核的幹擾作用,表現出重力捕捉(吸引效應)和重力彈弓效應(彈斥效應)。

關於重力分界線、重力捕捉和彈弓效應請讀者關註翻看第17篇文章,這裏不再探討。

這裏僅分析卡文迪許實驗中的大小鉛球的重力效應:

大小鉛球分別屬於兩個不同的共核系,平衡吊掛的兩個小鉛球具有作自由落體運動的慣性,被石英纖維絲吊掛處於平衡狀態而被逼停止作自由落體運動,這構成一個共核系;

在其旁邊放置大鉛球這個共核系後,當接觸距離很小到越過兩個共核系的重力分界線後,將產生重力捕捉效應,從而使得扭稱發生偏轉,表面上看起來像大球吸引了小球,實際是兩個共核系的相互作用。

對於任何一個空間的質素物體,它不僅相對宏觀天體核心作共核運動,同時其內部還存在分子、原子相對為微核心作微觀共核運動,這也是不可忽略的微觀共核系。

在共核系變換過程中,可以透過扭稱實驗測定出共核系變換常量,這就是重力常量,雖冠名重力,實際不是重力作用,而是共核系變換中的共核動量守恒。(參看第15篇文章)