Die Schwerkraft ist überall – sowohl buchstäblich als auch im alltäglichen bewussten Handeln der Menschen auf der ganzen Welt. Es ist schwer oder gar nicht vorstellbar, in einer Welt ohne Auswirkungen zu leben, oder sogar in einer, in der die Auswirkungen „geringfügig“ – sagen wir „nur“ um 25 Prozent – optimiert wurden. Nun, stellen Sie sich vor, Sie würden nicht ganz hoch genug springen, um einen 10 Fuß hohen Basketballrand zu berühren, zu einem leichten Slam-Dunk; das ist ungefähr, was eine 25-prozentige Steigerung der Sprungfähigkeit dank verringerter Schwerkraft einer großen Anzahl von Menschen bringen würde!
Als eine der vier grundlegenden physikalischen Kräfte beeinflusst die Schwerkraft jedes Ingenieurunternehmen, das Menschen je unternommen haben, insbesondere im Bereich der Wirtschaft. Die Fähigkeit, die Schwerkraft zu berechnen und damit verbundene Probleme zu lösen, ist eine grundlegende und wesentliche Fähigkeit in einführenden Kursen der Physik.
Die Kraft der Schwerkraft
Niemand kann genau sagen, was Gravitation "ist", aber es ist möglich, sie mathematisch und in Bezug auf andere physikalische Größen und Eigenschaften zu beschreiben. Die Schwerkraft ist eine der vier Grundkräfte in der Natur, die anderen sind die starken und schwachen Kernkräfte (die auf intraatomarer Ebene wirken) und die elektromagnetische Kraft. Die Schwerkraft ist die schwächste der vier, hat aber einen enormen Einfluss darauf, wie das Universum selbst strukturiert ist.
Mathematisch ist die Schwerkraft in Newton (oder äquivalent kg m/s2) zwischen zwei beliebigen MassenobjektenM1 undM2 getrennt durchrMeter wird ausgedrückt als:
F_{grav} = \frac{GM_1M_2}{r^2}
bei dem dieUniversal- GravitationskonstanteG = 6.67 × 10-11 Nm2/kg2.
Schwerkraft erklärt
Die GrößenordnungGdes Gravitationsfeldes eines "massiven" Objekts (d. h. einer Galaxie, eines Sterns, eines Planeten, eines Mondes usw.) wird mathematisch durch die Beziehung ausgedrückt:
g = \frac{GM}{d^2}
woGist die gerade definierte Konstante,Mist die Masse des Objekts unddist der Abstand zwischen dem Objekt und dem Punkt, an dem das Feld gemessen wird. Sie können sehen, indem Sie sich den Ausdruck für. ansehenFschwer DasGhat Krafteinheiten geteilt durch Masse, da die Gleichung fürGist im Wesentlichen die Schwerkraftgleichung (die Gleichung fürFschwer) ohne die Masse des kleineren Objekts zu berücksichtigen.
Die VariableGhat daher Einheiten der Beschleunigung. Nahe der Erdoberfläche beträgt die Beschleunigung aufgrund der Erdanziehungskraft 9,8 Meter pro Sekunde pro Sekunde oder 9,8 m/s2. Wenn Sie sich entscheiden, in der Physik weit zu gehen, werden Sie diese Zahl öfter sehen, als Sie zählen können.
Kraft aufgrund der Schwerkraftformel
Die Kombination der Formeln in den obigen beiden Abschnitten ergibt die Beziehung
F=mg
woG= 9,8 m/s2 auf der Erde. Dies ist ein Sonderfall des zweiten Newtonschen Bewegungsgesetzes, das ist
F=ma
Die Formel für die Erdbeschleunigung kann in üblicher Weise mit den sogenannten Newtonschen Bewegungsgleichungen verwendet werden, die die Masse (ich), Geschwindigkeit (v), Linearposition (x), vertikale Position (ja), Beschleunigung (ein) und Zeit (t). Das heißt, genausod = (1/2)beim2, die Entfernung, die ein Objekt in der Zeit zurücklegttin einer Linie unter der Kraft einer gegebenen Beschleunigung, der Abstandjaein Objekt wird mit der Zeit unter die Schwerkraft fallentergibt sich durch den Ausdruckd = (1/2)gt2, oder 4,9t2 für Objekte, die unter dem Einfluss der Erdanziehungskraft fallen.
Tipps
In der Einführung in die Physik werden Sie gebeten, Schwerkraftprobleme einschließlich des freien Falls zu lösen, die Auswirkungen des Luftwiderstands zu ignorieren. In der Praxis sind diese Effekte beträchtlich, wie Sie erfahren, wenn Sie Ingenieurwesen oder ein ähnliches Fach studieren.