Schwerkraft (Physik): Was ist das und warum ist es wichtig?

Ein Physikstudent kann der Schwerkraft in der Physik auf zwei verschiedene Arten begegnen: als Beschleunigung aufgrund von Schwerkraft auf der Erde oder anderen Himmelskörpern oder als Anziehungskraft zwischen zwei beliebigen Objekten in der Universum. Tatsächlich ist die Schwerkraft eine der grundlegendsten Kräfte in der Natur.

Sir Isaac Newton entwickelte Gesetze, um beides zu beschreiben. Newtons zweites Gesetz (F_Netz = ma) gilt für jede Nettokraft, die auf ein Objekt einwirkt, einschließlich der Schwerkraft, die am Ort eines großen Körpers, wie beispielsweise eines Planeten, auftritt. Newtons Gesetz der universellen Gravitation, ein inverses quadratisches Gesetz, erklärt die Anziehungskraft oder Anziehung zwischen zwei beliebigen Objekten.

Die Gravitationskraft, die ein Objekt in einem Gravitationsfeld erfährt, ist immer auf den Mittelpunkt der das Feld erzeugenden Masse gerichtet, beispielsweise auf den Erdmittelpunkt. Wenn keine anderen Kräfte vorhanden sind, kann sie mit der Newtonschen Beziehung beschrieben werden

Alle Objekte innerhalb eines Gravitationsfeldes, wie alle Gesteine ​​auf dem Mars, erleben dasselbeBeschleunigung in Richtung Feldmitte​ ​auf ihre Massen wirken.Der einzige Faktor, der die Schwerkraft verschiedener Objekte auf demselben Planeten verändert, ist also ihre Masse: Je mehr Masse, desto größer die Schwerkraft und umgekehrt.

Die Schwerkraftistsein Gewicht in der Physik, obwohl umgangssprachlich Gewicht oft anders verwendet wird.

Newtons zweites Gesetz,F_Netz = ma, zeigt, dass aNettokraftbewirkt, dass eine Masse beschleunigt wird. Wenn die Nettokraft von der Schwerkraft stammt, wird diese Beschleunigung als Schwerkraftbeschleunigung bezeichnet; bei Objekten in der Nähe besonders großer Körper wie Planeten ist diese Beschleunigung annähernd konstant, dh alle Objekte fallen mit der gleichen Beschleunigung.

In der Nähe der Erdoberfläche erhält diese Konstante eine eigene spezielle Variable:G. "Kleines g", alsGwird oft genannt, hat immer einen konstanten Wert von 9,8 m/s². (Der Ausdruck "kleines g" unterscheidet diese Konstante von einer anderen wichtigen Gravitationskonstante,G, oder "großes G", das für das universelle Gravitationsgesetz gilt.) Jedes Objekt, das in der Nähe der Erdoberfläche fällt, wird fallen mit immer höherer Geschwindigkeit in Richtung Erdmittelpunkt, wobei jede Sekunde 9,8 m/s schneller ist als die Sekunde zuvor.

Auf der Erde die Schwerkraft auf ein Masseobjektichist:

Astronauten erreichen einen fernen Planeten und stellen fest, dass es achtmal so viel Kraft braucht, um Objekte dort anzuheben als auf der Erde. Wie groß ist die Gravitationsbeschleunigung auf diesem Planeten?

Auf diesem Planeten ist die Schwerkraft achtmal größer. Da die Masse von Objekten eine grundlegende Eigenschaft dieser Objekte ist, können sie sich nicht ändern, d. h. der Wert vonGmuss ebenfalls achtmal größer sein:

Der Wert vonGauf der Erde ist 9,8 m/s², also 8 × 9,8 m/s² = 78,4 m/s².

Das zweite von Newtons Gesetzen, das für das Verständnis der Schwerkraft in der Physik gilt, resultiert aus Newtons Rätseln durch die Ergebnisse eines anderen Physikers. Er versuchte zu erklären, warum die Planeten des Sonnensystems eher elliptische als kreisförmige Bahnen haben, wie Johannes Kepler in seinen gleichnamigen Gesetzen beobachtet und mathematisch beschrieben hat.

Newton stellte fest, dass die Gravitationsanziehung zwischen den Planeten, wenn sie sich einander näherten und weiter entfernten, in die Bewegung der Planeten einspielte. Diese Planeten befanden sich tatsächlich im freien Fall. Er quantifizierte diese Anziehungskraft in seinemUniverselles Gravitationsgesetz​:

WoF_schwer ist wieder die Schwerkraft in Newton (N),ich₁undich₂die Massen des ersten bzw. zweiten Objekts in Kilogramm (kg) sind (zum Beispiel die Masse der Erde und die Masse des erdnahen Objekts) undd²ist das Quadrat des Abstands zwischen ihnen in Metern (m).

Die VariableG, genannt "großes G", ist die universelle Gravitationskonstante. Eshat überall im Universum den gleichen Wert. Newton entdeckte den Wert von G nicht (Henry Cavendish fand ihn experimentell nach Newtons Tod), aber er fand die Proportionalität von Kraft zu Masse und Entfernung ohne es.

Die Gleichung zeigt zwei wichtige Zusammenhänge:

1. Je massiver eines der Objekte ist, desto größer ist die Anziehungskraft. Wenn der Mond plötzlich wäredoppelt so massivSo wie es jetzt ist, würde die Anziehungskraft zwischen Erde und Monddoppelt​.
2. Je näher die Objekte sind, desto größer ist die Anziehungskraft. Weil die Massen durch den Abstand zwischen ihnen zusammenhängenkariert, die Anziehungskraftvervierfachtjedes Mal wenn die Objekte sinddoppelt so nah. Wenn der Mond plötzlich wärehalbe Streckezur Erde, wie sie jetzt ist, wäre die Anziehungskraft zwischen Erde und Mond moonviermal größer.​

Newtons Theorie ist auch als an. bekanntinverses quadratisches Gesetzwegen dem zweiten punkt oben. Dies erklärt, warum die Gravitationsanziehung zwischen zwei Objekten bei der Trennung schnell nachlässt, viel schneller, als wenn sich die Masse eines oder beider Objekte ändert.

Wie groß ist die Anziehungskraft zwischen einem 8.000 kg schweren Kometen, der 70.000 m von einem 200 kg schweren Kometen entfernt ist?

Newton leistete im 17. Jahrhundert erstaunliche Arbeit bei der Vorhersage der Bewegung von Objekten und der Quantifizierung der Schwerkraft. Aber ungefähr 300 Jahre später forderte ein anderer großer Geist - Albert Einstein - dieses Denken mit einem neuen und genaueren Verständnis der Schwerkraft heraus.

Nach Einstein ist die Gravitation eine Verzerrung vonFreizeit, das Gewebe des Universums selbst. Masse verformt den Raum, wie eine Bowlingkugel eine Kerbe auf einem Bettlaken erzeugt, und massivere Objekte wie Sterne oder Schwarze Löcher verformen sich Raum mit Effekten, die in einem Teleskop leicht beobachtet werden können - die Lichtbeugung oder eine Bewegungsänderung von Objekten in der Nähe dieser Massen.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hat sich bekanntermaßen bewährt, indem sie erklärt, warum Merkur, der winzige Planet am nächsten zur Sonne in unserem Sonnensystem, hat eine Bahn mit einem messbaren Unterschied zu dem, was von den Newtonschen Gesetzen vorhergesagt wird.

Während die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation genauer erklärt als die Newtonschen Gesetze, ist der Unterschied bei Berechnungen mit beiden meist nur auf "relativistischen" Maßstäben wahrnehmbar - beim Betrachten von extrem massiven Objekten im Kosmos oder einem nahen Licht Geschwindigkeiten. Daher bleiben die Newtonschen Gesetze heute nützlich und relevant, um viele Situationen der realen Welt zu beschreiben, denen der durchschnittliche Mensch wahrscheinlich begegnen wird.

Der "universelle" Teil von Newtons universellem Gravitationsgesetz ist nicht hyperbolisch. Dieses Gesetz gilt für alles im Universum mit einer Masse! Zwei beliebige Teilchen ziehen sich an, ebenso wie zwei beliebige Galaxien. Bei ausreichend großen Entfernungen wird die Anziehung natürlich so klein, dass sie effektiv null ist.

Angesichts der Bedeutung der Schwerkraft für die Beschreibung gravitywie alle Materie interagiert, die umgangssprachlichen englischen Definitionen vonSchwere(nach Oxford: „extreme oder alarmierende Bedeutung; Ernst") odergravitas("Würde, Ernsthaftigkeit oder Feierlichkeit des Auftretens") eine zusätzliche Bedeutung. Wenn jedoch jemand von der "Schwere einer Situation" spricht, muss ein Physiker möglicherweise noch geklärt werden: Meinen sie ein großes G oder ein kleines G?