Βαρύτητα (Φυσική): Τι είναι και γιατί είναι σημαντικό;

Ένας φοιτητής φυσικής μπορεί να αντιμετωπίσει τη βαρύτητα στη φυσική με δύο διαφορετικούς τρόπους: όπως η επιτάχυνση λόγω βαρύτητα στη Γη ή άλλα ουράνια σώματα, ή ως δύναμη έλξης μεταξύ δύο αντικειμένων στο σύμπαν. Πράγματι, η βαρύτητα είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση.

Ο Sir Isaac Newton ανέπτυξε νόμους για να περιγράψει και τα δύο. Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα (φά_καθαρά = μα) ισχύει για οποιαδήποτε καθαρή δύναμη που ενεργεί πάνω σε ένα αντικείμενο, συμπεριλαμβανομένης της δύναμης της βαρύτητας που βιώνεται στην περιοχή οποιουδήποτε μεγάλου σώματος, όπως ένας πλανήτης. Ο νόμος της καθολικής βαρύτητας του Νεύτωνα, ένας αντίστροφος τετραγωνικός νόμος, εξηγεί τη βαρυτική έλξη ή έλξη μεταξύ δύο αντικειμένων.

Η βαρυτική δύναμη που βιώνει ένα αντικείμενο μέσα σε ένα βαρυτικό πεδίο κατευθύνεται πάντα προς το κέντρο της μάζας που δημιουργεί το πεδίο, όπως το κέντρο της Γης. Ελλείψει άλλων δυνάμεων, μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας τη σχέση Νεύτωναφά_καθαρά = μα

Οποιαδήποτε αντικείμενα μέσα σε ένα βαρυτικό πεδίο, όπως όλοι οι βράχοι στον Άρη, βιώνουν το ίδιοεπιτάχυνση προς το κέντρο του χωραφιού​ ​ενεργώντας στις μάζες τους.Έτσι, ο μόνος παράγοντας που αλλάζει τη δύναμη της βαρύτητας που αισθάνεται διαφορετικά αντικείμενα στον ίδιο πλανήτη είναι η μάζα τους: Όσο μεγαλύτερη μάζα, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη της βαρύτητας και αντίστροφα.

Η δύναμη της βαρύτηταςείναιτο βάρος του στη φυσική, αν και το συνηθισμένο βάρος χρησιμοποιείται συχνά διαφορετικά.

Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα,φά_καθαρά = μα, δείχνει ότι aκαθαρή δύναμηπροκαλεί επιτάχυνση μάζας. Εάν η καθαρή δύναμη είναι από τη βαρύτητα, αυτή η επιτάχυνση ονομάζεται επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας. για αντικείμενα κοντά σε συγκεκριμένα μεγάλα σώματα όπως πλανήτες, αυτή η επιτάχυνση είναι σχεδόν σταθερή, που σημαίνει ότι όλα τα αντικείμενα πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση.

Κοντά στην επιφάνεια της Γης, αυτή η σταθερά έχει τη δική της ειδική μεταβλητή:σολ. "Little g", ωςσολκαλείται συχνά, έχει πάντα σταθερή τιμή 9,8 m / s². (Η φράση "μικρό g" διακρίνει αυτήν τη σταθερά από μια άλλη σημαντική βαρυτική σταθερά,σολ, ή "μεγάλο G", που ισχύει για τον Παγκόσμιο Νόμο της Βαρύτητας.) Κάθε αντικείμενο που πέφτει κοντά στην επιφάνεια της Γης θα πέφτει προς το κέντρο της Γης με συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό, κάθε δευτερόλεπτο πηγαίνει 9,8 m / s γρηγορότερα από το δεύτερο προηγουμένως.

Στη Γη, η δύναμη της βαρύτητας σε ένα αντικείμενο μάζαςΜείναι:

Οι αστροναύτες φτάνουν σε έναν μακρινό πλανήτη και βρίσκουν ότι χρειάζεται οκτώ φορές περισσότερη δύναμη για να σηκώσουν αντικείμενα εκεί από ό, τι στη Γη. Ποια είναι η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας σε αυτόν τον πλανήτη;

Σε αυτόν τον πλανήτη η δύναμη της βαρύτητας είναι οκτώ φορές μεγαλύτερη. Δεδομένου ότι οι μάζες των αντικειμένων είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα αυτών των αντικειμένων, δεν μπορούν να αλλάξουν, αυτό σημαίνει την τιμή τουσολπρέπει επίσης να είναι οκτώ φορές μεγαλύτερο:

Η αξία τουσολστη Γη είναι 9,8 m / s², έτσι 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα που ισχύει για την κατανόηση της βαρύτητας στη φυσική προέκυψε από τον Νεύτωνα αινιγματικό μέσω των ευρημάτων ενός άλλου φυσικού. Προσπαθούσε να εξηγήσει γιατί οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος έχουν ελλειπτικές τροχιές παρά κυκλικές τροχιές, όπως παρατηρείται και περιγράφεται μαθηματικά από τον Johannes Kepler στο σύνολο των επώνυμων νόμων.

Ο Νεύτωνας διαπίστωσε ότι τα βαρυτικά αξιοθέατα μεταξύ των πλανητών καθώς πλησίαζαν και πιο μακριά ο ένας από τον άλλο έπαιζαν την κίνηση των πλανητών. Αυτοί οι πλανήτες ήταν στην πραγματικότητα σε ελεύθερη πτώση. Ποσοποίησε αυτό το αξιοθέατο στο δικό τουΚαθολικός νόμος της βαρύτητας​:

Οπουφά_Γκραβ και πάλι είναι η δύναμη της βαρύτητας στο Newtons (N),Μ₁καιΜ₂είναι οι μάζες του πρώτου και του δεύτερου αντικειμένου, αντίστοιχα, σε χιλιόγραμμα (kg) (για παράδειγμα, η μάζα της Γης και η μάζα του αντικειμένου κοντά στη Γη), καιρε²είναι το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους σε μέτρα (m).

Η μεταβλητήσολ, που ονομάζεται "μεγάλο G", είναι η παγκόσμια σταθερά βαρύτητας. Τοέχει την ίδια αξία παντού στο σύμπαν. Ο Newton δεν ανακάλυψε την αξία του G (ο Henry Cavendish το βρήκε πειραματικά μετά το θάνατο του Newton), αλλά βρήκε την αναλογικότητα της δύναμης στη μάζα και την απόσταση χωρίς αυτήν.

Η εξίσωση δείχνει δύο σημαντικές σχέσεις:

1. Όσο πιο μεγάλο είναι οποιοδήποτε αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη είναι η έλξη. Αν το φεγγάρι ήταν ξαφνικάδύο φορές πιο μαζικήόπως είναι τώρα, η δύναμη έλξης μεταξύ της Γης και του φεγγαριού θαδιπλό​.
2. Όσο πιο κοντά είναι τα αντικείμενα, τόσο μεγαλύτερη είναι η έλξη. Επειδή οι μάζες σχετίζονται με την απόσταση μεταξύ τουςεις το τετραγωνο, η δύναμη της έλξηςτετραπλάσιακάθε φορά που είναι τα αντικείμεναδύο φορές πιο κοντά. Αν το φεγγάρι ήταν ξαφνικάμισή απόστασηστη Γη όπως είναι τώρα, θα ήταν η δύναμη έλξης μεταξύ της Γης και του φεγγαριούτέσσερις φορές μεγαλύτερο.​

Η θεωρία του Νεύτωνα είναι επίσης γνωστή ωςαντίστροφος τετραγωνικός νόμοςλόγω του δεύτερου σημείου παραπάνω. Εξηγεί γιατί η βαρυτική έλξη μεταξύ δύο αντικειμένων πέφτει γρήγορα καθώς διαχωρίζονται, πολύ πιο γρήγορα από ό, τι εάν αλλάζει η μάζα ενός ή και των δύο.

Ποια είναι η δύναμη έλξης μεταξύ ενός κομήτη 8.000 κιλών που απέχει 70.000 μέτρα από έναν κομήτη 200 κιλών;

Ο Νεύτωνας έκανε καταπληκτική δουλειά προβλέποντας την κίνηση των αντικειμένων και ποσοτικοποιώντας τη δύναμη της βαρύτητας το 1600. Αλλά περίπου 300 χρόνια αργότερα, ένας άλλος σπουδαίος νους - ο Άλμπερτ Αϊνστάιν - αμφισβήτησε αυτή τη σκέψη με έναν νέο και πιο ακριβή τρόπο κατανόησης της βαρύτητας.

Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, η βαρύτητα είναι μια παραμόρφωσηχωροχρόνος, το ύφασμα του ίδιου του σύμπαντος. Ο χώρος μαζικής στρέβλωσης, όπως μια μπάλα μπόουλινγκ δημιουργεί μια εσοχή σε ένα σεντόνι και πιο ογκώδη αντικείμενα όπως αστέρια ή στρέβλωση μαύρων οπών χώρος με εφέ που παρατηρούνται εύκολα σε ένα τηλεσκόπιο - η κάμψη του φωτός ή μια αλλαγή στην κίνηση αντικειμένων κοντά σε αυτές τις μάζες.

Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν αποδείχθηκε περίφημα εξηγώντας γιατί ο Ερμής, ο μικρότερος πλανήτης πιο κοντά στον ήλιο στο ηλιακό μας σύστημα, έχει τροχιά με μετρήσιμη διαφορά από αυτό που προβλέπεται από τους Νόμους του Νεύτωνα.

Ενώ η γενική σχετικότητα είναι πιο ακριβής στην εξήγηση της βαρύτητας από τους Νόμους του Νεύτωνα, η διαφορά στους υπολογισμούς με τη χρήση των δύο είναι αισθητή ως επί το πλείστον μόνο σε "σχετικιστικές" ζυγαριές - κοιτάζοντας εξαιρετικά τεράστια αντικείμενα στον Κόσμο ή κοντά σε φως ταχύτητες. Επομένως, οι νόμοι του Νεύτωνα παραμένουν χρήσιμοι και σχετικοί σήμερα για την περιγραφή πολλών πραγματικών καταστάσεων που είναι πιθανό να αντιμετωπίσει ο μέσος άνθρωπος.

Το «καθολικό» μέρος του Παγκόσμιου Νόμου της Βαρύτητας του Νεύτωνα δεν είναι υπερβολικό. Αυτός ο νόμος ισχύει για ό, τι στο σύμπαν με μάζα! Οποιαδήποτε δύο σωματίδια προσελκύουν το ένα το άλλο, όπως και οι δύο γαλαξίες. Φυσικά, σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις, η έλξη γίνεται τόσο μικρή ώστε να είναι ουσιαστικά μηδέν.

Δεδομένου του πόσο σημαντική είναι η βαρύτητα στην περιγραφήπώς αλληλεπιδρά όλη η ύλη, οι συνομιλητικοί αγγλικοί ορισμοί τουβαρύτητα(σύμφωνα με την Οξφόρδη: "ακραία ή ανησυχητική σημασία. σοβαρότητα ") ήgravitas("αξιοπρέπεια, σοβαρότητα ή σοβαρότητα του τρόπου") αποκτούν πρόσθετη σημασία. Τούτου λεχθέντος, όταν κάποιος αναφέρεται στο "βαρύτητα μιας κατάστασης", ένας φυσικός μπορεί ακόμα να χρειάζεται διευκρίνιση: Εννοούν ως προς το μεγάλο G ή το μικρό g;