Механика Ньютона Теория тяготения Ньютона без использования его законов механики не была бы создана. Опуская детали, которые можно найти и в школьном учебнике физики, приведем эти три основных закона в окончательном виде. Без всякого сомнения, они имеют фундаментальное

Корпускулярная теория гравитации Теория гравитации Ньютона завоевывала все больше сторонников. В законе обратных квадратов мало кто сомневался. Шли дискуссии о природе гравитации. Поскольку механизм передачи гравитационного взаимодействия с помощью частиц

Глава 4 От механики Ньютона до электродинамики Максвелла Мне не стоило большого труда отыскание того, с чего следует начинать, так как я уже знал, что начинать надо с самого простого и доступного пониманию… Рене Декарт «Рассуждении о методе» Сейчас нам придется

Теория гравитации Хоржавы Эта теория является одним из вариантов векторно-тензорных теорий гравитации и, пожалуй, самая популярная на настоящий момент. Именно поэтому мы рассказываем о ней. Теория была предложена в 2009 году американским теоретиком-«струнником» чешского

Закон Ньютона Закон всемирного тяготения после обсуждения в третьем чтении был отправлен на доработку… Фольклор Проверка закона Ньютона. Осмысление закона Ньютона до сих пор играет очень важную роль для осмысления представлений о гравитации вообще. Как можно

Гравитационное взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики , гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m 1 и m 2 , разделёнными расстоянием R , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния - то есть

Здесь G - гравитационная постоянная , равная примерно м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, то есть гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Закон всемирного тяготения - одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося так же и при изучении излучений (см. например, Давление света), и являющимся прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух тел в пустом пространстве. Эта задача решается аналитически до конца; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера .

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении, достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе , эта неустойчивость не позволяет предсказать движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений , и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы , аттракторы , хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений - нетривиальная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса .

Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности :

• отклонение закона тяготения от ньютоновского;
• запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений ; появление гравитационных волн;
• эффекты нелинейности: гравитационные волны имеют свойство взаимодействовать друг с другом, поэтому принцип суперпозиции волн в сильных полях уже не выполняется;
• изменение геометрии пространства-времени;
• возникновение черных дыр ;

Гравитационное излучение

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение , наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако, имеются косвенные наблюдательные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в двойной системе с пульсаром PSR B1913+16 - пульсаром Халса-Тейлора - хорошо согласуются с моделью, в которой эта энергия уносится гравитационным излучением.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами , этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного l -польного источника пропорциональна (v / c ) 2l + 2 , если мультиполь имеет электрический тип, и (v / c ) 2l + 4 - если мультиполь магнитного типа , где v - характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c - скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

где Q i j - тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ.)) и до настоящего времени (февраль 2007) предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора республики Татарстан .

Тонкие эффекты гравитации

Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.

Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле . В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли, но его полные результаты пока не опубликованы.

Квантовая теория гравитации

Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация - единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена непротиворечивая перенормируемая квантовая теория . Впрочем, при низких энергиях, в духе квантовой теории поля , гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами - калибровочными бозонами со спином 2.

Стандартные теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации - общая теория относительности , и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой (см. статью Альтернативные теории гравитации). Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

• Гравитация есть не геометрическое поле, а реальное физическое силовое поле, описываемое тензором.

• Гравитационные явления следует рассматривать в рамках плоского пространства Минковского, в котором однозначно выполняются законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения. Тогда движение тел в пространстве Минковского эквивалентно движению этих тел в эффективном римановом пространстве.

• В тензорных уравнениях для определения метрики следует учитывать массу гравитона, а также использовать калибровочные условия, связанные с метрикой пространства Минковского. Это не позволяет уничтожить гравитационное поле даже локально выбором какой-то подходящей системы отсчёта.

Как и в ОТО, в РТГ под веществом понимаются все формы материи (включая и электромагнитное поле), за исключением самого гравитационного поля. Следствия из теории РТГ таковы: чёрных дыр как физических объектов, предсказываемых в ОТО, не существует; Вселенная плоская, однородная, изотропная, неподвижная и евклидовая.

C другой стороны, существуют не менее убедительные аргументы противников РТГ, сводящиеся к следующим положениям:

Подобное имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского . Благодаря наличию безразмерного подгоночного параметра в теории Йордана - Бранса - Дикке, появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов.

Несмотря на то, что технология костной проводимости звука известна издавна, для многих это - по-прежнему «диковинка», вызывающая целый ряд вопросов. Ответим на некоторые из них.

Спорт . Широко известны модели спортивных наушников и гарнитур с использованием данной технологии, так как это позволяет спортсменам слушать музыку, говорить по телефону, но при этом контролируя окружающую обстановку, так как ушные раковины остаются открытыми и способными воспринимать внешние звуки !

Военная отрасль . По той же причине устройства на базе технологии костной передачи звука используются среди военных, так как это позволяет им общаться, передавать друг другу сообщения, не теряя контроль над ситуацией, оставаясь восприимчивыми к звукам внешнего мира.

Дайвинг . Применение технологий костной передачи звука в «подводном мире» во многом обусловлено свойствами костюма, которые не предполагает возможности погружать с иными средствами связи. Впервые об этом додумались еще в 1996 году, о чем есть соответствующий патент . И среди наиболее известных пионерских устройств такого характера можно привести в пример разработки Casio .

Также технология применяется в различных «бытовых» сферах, на прогулках, во время поездок на велосипеде или в автомобиле в качестве гарнитуры.

Безопасно ли это

В обычной жизни мы постоянно сталкиваемся с технологией костной проводимости, когда что-то произносим: именно костная проводимость звука позволяет нам слышать звук собственного голоса, и, кстати, как более «восприимчивая» к низким частотам она и делает так, что на записи наш голос кажется нам выше.

Второй голос в пользу этой технологии - ее широкое применение в медицине. Учитывая же и факт, что барабанные перепонки более чувствительный орган, то использование устройств костной проводимости, например, наушников, еще более безопасно для слуха, нежели использование обычных наушников.

Единственный временный дискомфорт, который может ощутить человек - легкая вибрация, к которой быстро привыкаешь. Это основа технологии: звук через кость передается с помощью вибрации.

Открытые уши

Еще одно ключевое отличие от других способов передачи звука - открытые уши. Так как барабанные перепонки не участвуют в процессе восприятия, то раковины остаются открытыми, и данная технология людям без дефектов слуха позволяет слышать и внешние звуки, и музыку/телефонный разговор!

Наушники

Самый известный пример «бытового» использования технологии костной проводимости - наушники, и среди них первыми и самыми лучшими остаются модели и .

История компании говорит о том, что они не сразу вышли на широкую аудиторию пользователей, долгое время до того сотрудничая с военными. Наушники обладают выдающимися для такого класса устройств характеристиками и постоянно модернизируются.

Технические характеристики Aftershokz:

• Тип динамиков: преобразователи для костной проводимости
• Частотный диапазон: 20 Гц – 20 кГц
• Чувствительность динамиков: 100 ±3 дБ
• Чувствительность микрофона: -40 ±3 дБ
• Версия Bluetooth: 2.1 +EDR
• Совместимые профили: A2DP, AVRCP, HSP, HFP
• Диапазон связи: 10 м
• Тип батареи: литий-ионная
• Время работы: 6 часов
• Режим ожидания: 10 дней
• Время зарядки: 2 часа
• Цвет: черный
• Вес: 41 грамм

Могут ли навредить слуху

Любые наушники могут навредить слуху на высокой громкости. Рисков с наушниками, которые работают на базе костной проводимости сильно меньше, так как не затрагиваются напрямую самые чувствительные органы слуха.

Можно ли прислонить обычные наушники к черепу и слушать звук

Нет, так не выйдет. Все наушники с технологией костной проводимости работают по особому принципу, когда звук передается с помощью вибрации, именно поэтому даже у проводных наушников есть дополнительный источник питания, встроенный аккумулятор.

Заменяют ли наушники слуховой аппарат

Наушники не усиливают звук, поэтому заменить слуховой аппарат они не могут, однако в ряде случаев нарушения воздушной проводимости звука, например, возрастных, такие наушники могут помочь отчетливей различать услышанное.

». Для тех, кто хочет знать больше и серьезно подходит к выбору, предлагаю копнуть глубже и разобраться с конструкцией наушников. Ведь по своей сути наушники - это та же самая акустика, уменьшенная до размера ушей. Принцип работы тот же. Но есть и отличия.

Легкий пластик или тяжелый металл?

Материал корпуса - один из важнейших факторов, определяющих характер звучания акустики. Точнее, его механические свойства: жесткость, склонность к резонансам. Аналогичная ситуация и с наушниками - материал их корпуса также влияет на звук. Стандартное решение - пластик. Он дешев, ему легко придать любую форму. Поэтому традиционно пластиковые корпуса используются в бюджетных наушниках или в моделях со сложным дизайном.

Наушники в алюминиевом корпусе

Чтобы повысить качество звука, делают металлические корпуса из сплавов алюминия, меди или цинка, обладающие высокой жесткостью. Это повышает качество звука, правда, покупателям зачастую не нравится их высокая теплопроводность. Внутриканальные наушники и наушники-вкладыши из металла, прилегая к телу, выступают в роли радиатора. Они довольно эффективно отводят тепло, чем создают ощущение прохлады. В какие-то моменты это приятно, но иногда может доставить дискомфорт. В накладных наушниках проблемы с прикосновением металла к телу нет, а если металл использован не слишком тяжелый и в умеренных количествах, такие наушники окажутся не только качественнее, но еще и легче пластиковых.

Еще один специфический материал - керамика. Керамические корпуса, по понятным причинам, не могут иметь выраженных граней, что ограничивает возможности дизайнера. Зато акустические свойства керамики ценятся высоко - она довольно тяжелая и используется обычно во внутриканальных наушниках.

Однозначно теплый материал, обеспечивающий специфический звук - дерево. Производители предлагают как большие накладные наушники с деревянными чашками, так и внутриканальные модели, часть корпуса которых изготовлена из дерева. Обладатели тонкого слуха отмечают, что каждой породе дерева соответствует свое оригинальное звучание. С точки зрения физики это вполне объяснимо. Каждый вид древесины обладает специфическими резонансными свойствами, по-разному поглощает звуковые колебания. Вот и получается, что «подпевает» каждое дерево по-своему. Большинство производителей сочетают различные материалы корпуса с целью получить и оригинальный дизайн, и желаемый характер звука.

Полимер, майлар или титан?

Следующий ключевой элемент любой акустики, а значит и любых наушников - излучатель (он же драйвер/динамик). Чаще всего акустические системы создают на базе динамических излучателей. Аналогичная ситуация наблюдается и в мире наушников. Классические наушники имеют один широкополосный излучатель, воспроизводящий весь диапазон частот. Его конструкция аналогична большим динамикам. Есть корзина с жестко закрепленным постоянным магнитом, звуковая катушка, находящаяся в магнитном поле и мембрана. Большинство производителей используют для изготовления мембраны полимерные пленки, которые в целом мало отличаются друг от друга по своим акустическим свойствам. При миниатюрных размерах излучателя придумать что-то особенное сложно, но все-таки можно. Так, в более дорогих наушниках могут использоваться высокотехнологичные материалы вроде майларовой пленки или полимеров с титановым или алюминиевым напылением.

Магниты также бывают разного качества. Например, часто вместо обычного ферритового магнита в дорогих моделях используется неодимовый. Это помогает увеличить мощность динамика, сохранив компактные размеры.

Миллиметры, помноженные на бас

Как и в колонках, важен диаметр динамика. Если речь идет о больших накладных наушниках, вполне справедливо утверждение «чем больше - тем лучше». Традиционно в наушниках такого типа устанавливаются динамики диаметром от 30 до 50-52 мм. Большой излучатель развивает большее звуковое давление, дает глубокий и управляемый бас. Кроме того, чем больше излучатель, тем проще разработчику совершенствовать его конструкцию - появляется возможность усложнить магнитную систему и реализовать сложные инженерные решения.

На практике даже недорогие наушники с большими 50-мм излучателями в подавляющем большинстве случаев дают более качественный бас и лучшее разрешение, чем 30 и 40 мм. При этом совершенно очевидно, что 50-мм динамик можно встретить только в довольно громоздких наушниках, а для моделей с накладными амбушюрами, удачным вариантом будет 40-мм излучатель.

Это наблюдение также справедливо для внутриканальных моделей и наушников-вкладышей. Поскольку их динамики находятся гораздо ближе к слуховому проходу, речь идет уже о размерах 6-15 мм. Плюсы больших излучателей те же - глубокий бас и высокое разрешение при прочих равных условиях. Но на практике при выборе наушников такого типа с большими диффузорами вы гарантированно получите выигрыш только по басу. Значительное количество хорошо звучащих моделей имеет сравнительно небольшие динамики с диффузорами диаметром 8-10 мм. Так происходит, потому что динамики большего размера вынуждают создавать и громоздкую конструкцию, которую сложно сделать легкой и эргономичной.

Еще один любопытный момент - внутриканальные наушники с микроизлучателями. Их конструктивное отличие состоит в том, что динамик устанавливается не внутри корпуса, а на самом выходе звуковода, то есть динамик фактически перемещен вглубь слухового канала, насколько это только возможно. Поскольку драйвер смещен еще ближе к органу слуха, даже 4-6 мм диффузора достаточно, чтобы добиться глубокого баса. Еще один плюс таких наушников - микроизлучателю требуется меньше энергии, они хорошо сработаются даже с маломощными источниками звука.

Уравновешенный якорь

При всей своей популярности динамические излучатели имеют несколько конкурирующих технологий. Вторыми по популярности являются так называемые арматурные излучатели, используемые только во внутриканальных моделях. В русскоязычном варианте эта конструкция носит название «излучатель с уравновешенным якорем» (Balanced Armature). Конструкция такого излучателя довольно необычна. В поле постоянного магнита, оснащенного П-образным магнитопроводом, располагается якорь со звуковой катушкой. Диффузор излучателя прикреплен к якорю с помощью рычага или тяги. Когда по звуковой катушке не проходит ток, якорь уравновешен в поле магнита в некоем среднем положении, а когда на катушку поступает звуковой сигнал, якорь начинает отклоняться, приводя тем самым диффузор в движение.

Конструкция с уравновешенным якорем имеет целый ряд преимуществ, основные из которых - высокий КПД и компактные размеры. Поэтому такие излучатели уже давно применяются в профессиональной технике, а также для создания слуховых аппаратов. С точки зрения качества звука у «арматурных» излучателей есть свои преимущества. У обычного динамического динамика звуковая катушка легче диффузора, в результате чего инерция диффузора оказывает сопротивление ее усилию. Отсюда ощущение замедленности и нечеткости звука, оно, кстати, тем сильней, чем ниже частота. У «арматурного» излучателя якорь с жестко закрепленной на нем звуковой катушкой является наиболее тяжелым элементом подвижной системы, поэтому диффузор становится управляемым, а влияние его массы и инерции минимально. В результате обеспечивается чистый и точный звук.

Данный эффект особенно заметен на низких частотах и при прослушивании на средней или высокой громкости. Минусы у конструкции с уравновешенным якорем тоже имеются. Обычно такие излучатели обладают более узким диапазоном частот, чем динамические.

Один в поле не воин

Именно ограничения в ширине частотного диапазона привели к появлению наушников с двумя и более излучателями. Серийно производятся модели, включающие в себя два, три и даже четыре «арматурных» излучателя. Бывают наушники, где стоит излучатель с уравновешенным якорем в роли СЧ/ВЧ-звена и большой низкочастотный динамический излучатель. Такой вариант, конечно, не идеален с точки зрения качества звука, но зато и стоит значительно дешевле, чем две и более «арматуры» в одном корпусе. А обычные динамические наушники превосходит по меньшей мере технически.

Встречаются и наушники с многополосными динамическими излучателями. Это чаще всего коаксиальные конструкции с СЧ\ВЧ- и НЧ-динамиками, реже модели с изобарическим принципом работы, когда два одинаковых драйвера излучают звук в одну камеру, из которой в ушной канал идет звуковод. Первый вариант обеспечивает более чистый звук с лучшим разрешением, а второй позволяет значительно увеличить мощность и получить глубокий бас, без повышения детальности звука.

Проводя аналогии между многополосными наушниками и многополосной акустикой, нельзя не поинтересоваться, как же в данном случае происходит разделение частот. В зависимости от конструкции и сочетаемости излучателей в многополосных наушниках действительно могут использоваться кроссоверы. Речь идет о простейших фильтрах первого порядка, состоящих из одного-единственного элемента.

Среди больших моделей, предназначенных для прослушивания в домашних условиях, можно встретить наушники с электростатическими и изодинамическими (планарно-магнитными) излучателями. Это исключительно дорогие модели класса High End, причем электростатические наушники требуют специальных фирменных усилителей, а для изодинамических подойдут обычные усилители для наушников. Обе технологии сложно назвать доступными по цене и уж тем более массовыми.