Tyngdekraft (fysik): Hvad er det og hvorfor er det vigtigt?

En fysikstuderende kan støde på tyngdekraften i fysik på to forskellige måder: som accelerationen pga tyngdekraften på Jorden eller andre himmellegemer eller som tiltrækningskraft mellem to objekter i univers. Faktisk er tyngdekraften en af ​​de mest fundamentale kræfter i naturen.

Sir Isaac Newton udviklede love til at beskrive begge dele. Newtons anden lov (F_net = ma) gælder for enhver nettokraft, der virker på en genstand, inklusive tyngdekraften, der opleves i lokalerne for enhver stor krop, såsom en planet. Newtons lov om universel tyngdekraft, en omvendt firkantet lov, forklarer tyngdekraften eller tiltrækningen mellem to objekter.

Gravitationskraften, der opleves af et objekt inden for et tyngdefelt, er altid rettet mod centrum af den masse, der genererer feltet, såsom Jordens centrum. I mangel af andre kræfter kan det beskrives ved hjælp af det newtonske forholdF_net = ma, hvorF_neter tyngdekraften i Newton (N),mer masse i kg (kg) og-ener acceleration på grund af tyngdekraften i m / s².

Alle genstande inde i et tyngdefelt, såsom alle klipperne på Mars, oplever det sammeacceleration mod midten af ​​marken​ ​handler på deres masser.Således er den eneste faktor, der ændrer tyngdekraften, der mærkes af forskellige objekter på den samme planet, deres masse: Jo mere masse, jo større er tyngdekraften og omvendt.

Tyngdekraftenerdens vægt i fysik, selvom den almindelige vægt ofte bruges forskelligt.

Newtons anden lov,F_net = ma, viser, at ennettokraftfår en masse til at accelerere. Hvis nettokraften er fra tyngdekraften, kaldes denne acceleration acceleration på grund af tyngdekraften; for objekter nær bestemte store kroppe som planeter er denne acceleration omtrent konstant, hvilket betyder at alle objekter falder med den samme acceleration.

Nær jordens overflade får denne konstant sin egen specielle variabel:g. "Lille g", somgkaldes ofte, har altid en konstant værdi på 9,8 m / s². (Udtrykket "lille g" adskiller denne konstant fra en anden vigtig gravitationskonstant,G, eller "stor G", der gælder for den universelle lov for tyngdekraft.) Enhver genstand, der falder nær jordens overflade, vil falder mod midten af ​​jorden i en stadigt stigende hastighed, hvor hvert sekund går 9,8 m / s hurtigere end det andet før.

På Jorden er tyngdekraften på et massegenstandmer:

Astronauter når en fjern planet og finder ud af, at det tager otte gange så meget kraft at løfte genstande der, end det gør på Jorden. Hvad er accelerationen på grund af tyngdekraften på denne planet?

På denne planet er tyngdekraften otte gange større. Da masserne af objekter er en grundlæggende egenskab for disse objekter, kan de ikke ændre sig, det betyder værdien afgskal også være otte gange større:

Værdien afgpå jorden er 9,8 m / s², så 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Den anden af ​​Newtons love, der gælder for forståelse af tyngdekraften i fysik, skyldes, at Newton forvirrede gennem en anden fysikers fund. Han forsøgte at forklare, hvorfor solsystemets planeter har elliptiske baner snarere end cirkulære baner, som observeret og matematisk beskrevet af Johannes Kepler i hans sæt af eponyme love.

Newton fastslog, at tyngdeattraktionerne mellem planeterne, når de kom tættere og længere fra hinanden, spillede ind i planetenes bevægelse. Disse planeter var faktisk i frit fald. Han kvantificerede denne attraktion i sinUniversal Gravitation Law​:

HvorF_grav igen er tyngdekraften i Newton (N),m₁ogm₂er masserne af henholdsvis den første og den anden genstand i kg (kg) (for eksempel jordens masse og genstandens masse nær Jorden), ogd²er kvadratet for afstanden imellem dem i meter (m).

VariablenG, kaldet "stor G", er den universelle tyngdekonstant. Dethar den samme værdi overalt i universet. Newton opdagede ikke værdien af ​​G (Henry Cavendish fandt det eksperimentelt efter Newtons død), men han fandt proportionaliteten af ​​kraft til masse og afstand uden den.

Ligningen viser to vigtige forhold:

1. Jo mere massivt begge objekter er, jo større er tiltrækningen. Hvis månen pludselig vardobbelt så massivsom det er nu, ville tiltrækningskraften mellem Jorden og månendobbelt​.
2. Jo tættere objekterne er, jo større er tiltrækningen. Fordi masserne er relateret til afstanden mellem demkvadreret, tiltrækningskraftenfirdoblerhver gang genstandene erdobbelt så tæt. Hvis månen pludselig varhalvdelen af ​​afstandentil Jorden, som den er nu, ville tiltrækningskraften mellem Jorden og månen værefire gange større.​

Newtons teori er også kendt som enomvendt firkantet lovpå grund af det andet punkt ovenfor. Det forklarer, hvorfor tyngdekraften mellem to objekter falder hurtigt, når de adskiller sig, meget hurtigere, end hvis de ændrer massen på den ene eller begge.

Hvad er tiltrækningskraften mellem en 8.000 kg komet, der er 70.000 m væk fra en 200 kg komet?

Newton gjorde et fantastisk arbejde med at forudsige objekters bevægelse og kvantificere tyngdekraften i 1600'erne. Men omkring 300 år senere udfordrede et andet stort sind - Albert Einstein - denne tænkning med en ny måde og mere præcis måde at forstå tyngdekraften på.

Ifølge Einstein er tyngdekraften en forvrængning afrumtid, selve universets stof. Masse vrider plads, som en bowlingkugle skaber et indryk på et lagen, og mere massive genstande som stjerner eller sorte huller kæder rum med effekter, der let observeres i et teleskop - bøjning af lys eller en ændring i bevægelse af objekter tæt på disse masser.

Einsteins generelle relativitetsteori beviste sig berømt ved at forklare, hvorfor Mercury, den lille planet nærmest til solen i vores solsystem, har en bane med en målbar forskel fra det, der forudsiges af Newtons love.

Mens generel relativitet er mere nøjagtig til at forklare tyngdekraften end Newtons love, er forskellen i beregninger ved hjælp af en af ​​dem for det meste kun synlig på "relativistiske" skalaer - ser på ekstremt massive genstande i kosmos eller et nærlys hastigheder. Derfor forbliver Newtons love nyttige og relevante i dag til at beskrive mange situationer i den virkelige verden, som det gennemsnitlige menneske sandsynligvis støder på.

Den "universelle" del af Newtons universelle lov om tyngdekraft er ikke hyperbolsk. Denne lov gælder for alt i universet med en masse! Enhver to partikler tiltrækker hinanden, ligesom to galakser gør. Selvfølgelig bliver tiltrækningen på store nok afstande så lille, at den faktisk er nul.

I betragtning af hvor vigtig tyngdekraften er for at beskrivehvordan al materie interagerer, de engelsksprogede definitioner aftyngdekraft(ifølge Oxford: "ekstrem eller alarmerende betydning; alvor ") ellergravitas("værdighed, seriøsitet eller højtidelighed") får yderligere betydning. Når det er sagt, når nogen henviser til "en sværhedsgrad af en situation", kan en fysiker muligvis stadig have brug for en afklaring: Mener de i form af stort G eller lille g?