Gravitace (fyzika): Co to je a proč je to důležité?

Student fyziky se může setkat s gravitací ve fyzice dvěma různými způsoby: jako zrychlení kvůli gravitace na Zemi nebo jiných nebeských tělesech nebo jako síla přitažlivosti mezi jakýmikoli dvěma objekty ve vesmíru vesmír. Gravitace je ve skutečnosti jednou z nejzákladnějších sil v přírodě.

Sir Isaac Newton vytvořil zákony popisující obojí. Newtonův druhý zákon (F_síť = ma) se vztahuje na jakoukoli čistou sílu působící na objekt, včetně gravitační síly prožívané v místě jakéhokoli velkého tělesa, jako je planeta. Newtonův zákon univerzální gravitace, zákon obráceného čtverce, vysvětluje gravitační přitažlivost nebo přitažlivost mezi jakýmikoli dvěma objekty.

Gravitační síla, kterou zažívá předmět v gravitačním poli, je vždy směrována do středu hmoty, která pole generuje, jako je střed Země. Při absenci dalších sil to lze popsat pomocí newtonovského vztahuF_síť = ma, kdeF_síťje gravitační síla v Newtonech (N),mje hmotnost v kilogramech (kg) aAje gravitační zrychlení vm / s².

Všechny objekty uvnitř gravitačního pole, jako jsou všechny horniny na Marsu, zažívají to samé

Síla gravitacejejeho váha ve fyzice, ačkoli hovorově se váha často používá odlišně.

Newtonův druhý zákon,F_síť = ma, ukazuje, že ačistá sílazpůsobí zrychlení hmoty. Pokud čistá síla pochází z gravitace, nazývá se toto zrychlení gravitačním zrychlením; pro objekty v blízkosti konkrétních velkých těles, jako jsou planety, je toto zrychlení přibližně konstantní, což znamená, že všechny objekty padají se stejným zrychlením.

V blízkosti zemského povrchu je této konstantě dána vlastní speciální proměnná:G. „Malý g,“ jakoGje často volána, má vždy konstantní hodnotu 9,8 m / s². (Fráze „malé g“ odlišuje tuto konstantu od jiné důležité gravitační konstanty,G, neboli „velké G“, které platí pro univerzální gravitační zákon.) Jakýkoli předmět spadlý blízko povrchu Země bude padají směrem ke středu Země stále se zvyšující rychlostí, přičemž každá vteřina je o 9,8 m / s rychlejší než ta předchozí.

Na Zemi gravitační síla na hmotný objektmje:

Astronauti se dostanou na vzdálenou planetu a zjistí, že zvedání předmětů vyžaduje osmkrát větší sílu než na Zemi. Jaké je zrychlení v důsledku gravitace na této planetě?

Na této planetě je gravitační síla osmkrát větší. Protože masy objektů jsou základní vlastností těchto objektů, nemohou se měnit, to znamená hodnotuGmusí být také osmkrát větší:

HodnotaGna Zemi je 9,8 m / s², takže 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Druhý z Newtonových zákonů, které platí pro pochopení gravitace ve fyzice, vyústil v Newtonově zápletce nad nálezy jiného fyzika. Snažil se vysvětlit, proč planety sluneční soustavy mají spíše eliptické dráhy než kruhové, jak to pozoroval a matematicky popsal Johannes Kepler ve své sadě stejnojmenných zákonů.

Newton zjistil, že gravitační přitažlivost mezi planetami, jak se přibližovaly a vzdálely od sebe, hrála do pohybu planet. Tyto planety byly ve skutečnosti ve volném pádu. Kvantifikoval tuto přitažlivost ve svémUniverzální gravitační zákon​:

KdeF_grav opět je gravitační síla v Newtonech (N),m₁am₂jsou hmotnosti prvního a druhého objektu v kilogramech (kg) (například hmotnost Země a hmotnost objektu v blízkosti Země) ad²je čtverec vzdálenosti mezi nimi v metrech (m).

ProměnnáG„Velký G“ je univerzální gravitační konstanta. Tomá stejnou hodnotu všude ve vesmíru. Newton neobjevil hodnotu G (Henry Cavendish ji experimentálně zjistil po Newtonově smrti), ale bez ní zjistil proporcionalitu síly k hmotnosti a vzdálenosti.

Rovnice ukazuje dva důležité vztahy:

1. Čím je jeden z objektů masivnější, tím větší je přitažlivost. Pokud byl měsíc najednoudvakrát tak masivníjak je tomu nyní, síla přitažlivosti mezi Zemí a Měsícem anodvojnásobek​.
2. Čím blíže jsou objekty, tím větší je přitažlivost. Protože masy jsou vzájemně propojeny vzdáleností mezi nimina druhousíla přitažlivostičtyřnásobkypokaždé, když jsou objektydvakrát tak blízko. Pokud byl měsíc najednoupoloviční vzdálenostna Zemi, jak je nyní, by síla přitažlivosti mezi Zemí a Měsícem bylačtyřikrát větší.​

Newtonova teorie je také známá jakozákon inverzního čtvercekvůli druhému bodu výše. Vysvětluje to, proč gravitační přitažlivost mezi dvěma objekty rychle klesá, když se oddělují, mnohem rychleji, než kdyby se změnila hmotnost jednoho nebo obou z nich.

Jaká je síla přitažlivosti mezi 8 000 kg kometou, která je 70 000 m od 200 kg komety?

Newton provedl úžasnou práci předpovídáním pohybu objektů a kvantifikací gravitační síly v 1600s. Ale zhruba o 300 let později další velká mysl - Albert Einstein - vyzvala toto myšlení novým způsobem a přesnějším způsobem chápání gravitace.

Podle Einsteina je gravitace zkreslenímvesmírný čas, struktura samotného vesmíru. Prostor hromadné osnovy, jako bowlingová koule, vytvoří na ložní desce zarážku, a masivnější objekty, jako jsou hvězdy nebo černé díry, se zdeformují prostor s efekty snadno pozorovatelnými v dalekohledu - ohyb světla nebo změna pohybu objektů v blízkosti těchto hmot.

Einsteinova teorie obecné relativity se skvěle osvědčila vysvětlením, proč je Merkur, malá planeta nejblíže Slunce v naší sluneční soustavě má ​​oběžnou dráhu s měřitelným rozdílem od toho, co předpovídají Newtonovy zákony.

Zatímco obecná relativita je při vysvětlování gravitace přesnější než Newtonovy zákony, rozdíl ve výpočtech s použitím obou je viditelné z větší části pouze na „relativistických“ měřítcích - při pohledu na extrémně hmotné objekty ve vesmíru nebo na blízké světlo rychlosti. Newtonovy zákony proto zůstávají dnes užitečné a relevantní při popisu mnoha skutečných situací, se kterými se průměrný člověk pravděpodobně setká.

„Univerzální“ část Newtonova univerzálního gravitačního zákona není hyperbolická. Tento zákon platí pro všechno ve vesmíru s hmotou! Jakékoli dvě částice se navzájem přitahují, stejně jako jakékoli dvě galaxie. Samozřejmě na dostatečně velkých vzdálenostech je přitažlivost tak malá, že je skutečně nulová.

Vzhledem k tomu, jak důležitá je gravitace při popisujak veškerá hmota interagujehovorové anglické definicegravitace(podle Oxford: „extrémní nebo alarmující význam; vážnost ") nebogravitace(„důstojnost, vážnost nebo vážnost způsobu“) nabývají dalšího významu. To znamená, že když někdo hovoří o „závažnosti situace“, fyzik možná bude potřebovat vysvětlení: Myslí to ve smyslu velkého G nebo malého g?