Gravitatsioon (füüsika): mis see on ja miks see on oluline?

Füüsikaõpilane võib füüsikas raskusjõuga kokku puutuda kahel erineval viisil: kiirenduse tõttu gravitatsioon Maal või muudel taevakehadel või mis tahes kahe objekti vahelise tõmbejõuna universum. Tõepoolest, gravitatsioon on looduses üks põhilisemaid jõude.

Sir Isaac Newton töötas välja seadused mõlema kirjeldamiseks. Newtoni teine ​​seadus (F_võrk = ma) kehtib objektile mõjuva mis tahes netojõu kohta, kaasa arvatud raskusjõu suhtes, mida kogevad mis tahes suure keha, näiteks planeedi, asukoht. Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus, pöördvõrdeline ruuduseadus, selgitab kahe objekti vahelist gravitatsioonilist tõmmet või tõmmet.

Gravitatsioonijõud, mida objekt kogeb gravitatsiooniväljas, on alati suunatud välja tekitava massi keskpunkti, näiteks Maa keskmesse. Muude jõudude puudumisel saab seda kirjeldada Newtoni suhte abilF_võrk = ma, kusF_võrkon raskusjõud njuutonites (N),mon mass kilogrammides (kg) jaaon gravitatsioonist tingitud kiirendus m / s².

Kõik gravitatsioonivälja sees olevad objektid, näiteks kõik Marsi kivid, kogevad sama

Raskusjõudonselle kaal füüsikas, kuigi kõnekeeles kasutatakse sageli kaalu erinevalt.

Newtoni teine ​​seadus,F_võrk = ma, näitab, et anetojõudpõhjustab massi kiirenemist. Kui netojõud on gravitatsioonist, nimetatakse seda kiirendust gravitatsiooni tõttu kiirenduseks; konkreetsete suurte kehade (nt planeedid) lähedal olevate objektide puhul on see kiirendus ligikaudu konstantne, see tähendab, et kõik objektid langevad sama kiirendusega.

Maa pinna lähedal antakse sellele konstandile oma erimuutuja:g. "Väike g", nagugsageli kutsutakse, selle konstantne väärtus on alati 9,8 m / s². (Fraas "väike g" eristab seda konstanti teisest olulisest gravitatsioonikonstandist,Gvõi "suur G", mis kehtib universaalse gravitatsiooniseaduse kohta.) Iga Maa pinna lähedale kukutatud objekt langevad Maa keskosa suunas üha kiiremini, iga sekund liigub 9,8 m / s kiiremini kui teine ​​enne.

Maal raskusjõud massiobjektilemon:

Astronaudid jõuavad kaugele planeedile ja leiavad, et objektide sinna tõstmiseks kulub kaheksa korda rohkem jõudu kui Maa peal. Milline on gravitatsioonist tingitud kiirendus sellel planeedil?

Sellel planeedil on raskusjõud kaheksa korda suurem. Kuna objektide massid on nende objektide põhiomadused, ei saa need muutuda, see tähendab objekti väärtustgpeab olema ka kaheksa korda suurem:

VäärtusgMaal on 9,8 m / s², seega 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Teine Newtoni seadustest, mis kehtivad füüsikas gravitatsiooni mõistmiseks, tulenes Newtoni hämmingust teise füüsiku järelduste kaudu. Ta püüdis selgitada, miks Päikesesüsteemi planeetidel on pigem elliptilised kui ümmargused orbiidid, nagu Johannes Kepler oma samanimeliste seaduste komplektis täheldas ja matemaatiliselt kirjeldas.

Newton tegi kindlaks, et planeetide liikumisele mängivad gravitatsioonilised atraktsioonid planeetide vahel, kui nad üksteisele lähemale ja kaugemale jõuavad. Need planeedid olid tegelikult vabalangemises. Ta tõi selle tõmbe kvantifitseeritudUniversaalne gravitatsiooniseadus​:

KusF_grav jälle on raskusjõud njuutonites (N),m₁jam₂on esimese ja teise eseme mass vastavalt kilogrammides (kg) (näiteks Maa mass ja Maa lähedal asuva eseme mass), jad²on nende vahelise kauguse ruut meetrites (m).

MuutujaG, mida nimetatakse "suureks G-ks", on universaalne gravitatsioonikonstant. Seeon kõikjal universumis sama väärtus. Newton ei avastanud G väärtust (Henry Cavendish leidis selle eksperimentaalselt pärast Newtoni surma), kuid leidis jõu ja massi proportsiooni ilma selleta.

Võrrand näitab kahte olulist seost:

1. Mida massiivsem on kumbki objekt, seda suurem on atraktsioon. Kui kuu oleks äkkikaks korda massiivsemnagu praegu, oleks Maa ja Kuu vahelise tõmbejõudtopelt​.
2. Mida lähemal on objektid, seda suurem on atraktsioon. Sest massid on omavahel seotud nende vahemaagaruudus, tõmbejõudneljakordsediga kord, kui objektid onkaks korda nii lähedal. Kui kuu oleks äkkipool distantsistMaale, nagu see praegu on, oleks Maa ja Kuu vaheline külgetõmbejõudneli korda suurem.​

Newtoni teooriat tuntakse ka kuipöördvälja seadusülaltoodud teise punkti tõttu. See selgitab, miks kahe objekti vaheline gravitatsiooniline külgetõmme eraldumisel eraldub kiiresti, palju kiiremini, kui muutes kummagi või mõlema massi.

Milline on tõmbejõud 8000 kg kaaluva komeedi vahel, mis asub 200 kg komeedist 70 000 m kaugusel?

Newton tegi hämmastavat tööd, ennustades objektide liikumist ja kvantifitseerides gravitatsioonijõudu 1600. aastatel. Kuid umbes 300 aastat hiljem vaidlustas teine ​​suur mõistus - Albert Einstein - selle mõtlemise uutmoodi ja täpsema gravitatsiooni mõistmise viisiga.

Einsteini sõnul on gravitatsioon moonutatudaegruum, universumi enda kangast. Massiline koolutab ruumi, nagu keeglipall, tekitab voodilinal taande ja massiivsemad objektid, nagu tähed või mustad augud, koolutavad ruum, mille mõjud on teleskoobis hõlpsasti jälgitavad - valguse painutamine või nende masside lähedal olevate objektide liikumise muutus.

Einsteini üldrelatiivsusteooria tõestas ennast kuulsalt, selgitades, miks elavhõbe, kõige pisem planeet meie päikesesüsteemi päikesele, on orbiit mõõdetava erinevusega sellest, mida ennustavad Newtoni seadused.

Kui üldrelatiivsusteooria on gravitatsiooni selgitamisel täpsem kui Newtoni seadused, siis kumbagi kasutavate arvutuste erinevus on märgatav enamasti ainult "relativistlikel" skaaladel - vaadates kosmoses olevaid äärmiselt massiivseid objekte või peaaegu valgust kiirused. Seetõttu on Newtoni seadused tänapäeval kasulikud ja asjakohased paljude reaalsetes olukordades kirjeldades, millega keskmine inimene tõenäoliselt kokku puutub.

Newtoni universaalse gravitatsiooniseaduse "universaalne" osa ei ole hüperboolne. See seadus kehtib universumis kõige massiga! Kõik kaks osakest tõmbavad üksteist, nagu ka kõik kaks galaktikat. Muidugi muutub piisavalt suurel vahemaal atraktsioon nii väikeseks, et see on tegelikult null.

Arvestades, kui oluline on kirjeldamisel raskusjõudkuidas kogu mateeria suhtleb, kõnekeelne ingliskeelne määratlusraskusjõud(Oxfordi sõnul: "äärmine või murettekitav tähtsus; tõsidus ") võigravitas("väärikus, tõsidus või pidulik viis") omandavad täiendava tähenduse. See tähendab, et kui keegi viitab "olukorra tõsidusele", võib füüsik vajada siiski selgitust: kas nad tähendavad suurt G või väikest g?