Painovoima (fysiikka): mikä se on ja miksi se on tärkeää?

Fysiikan opiskelija voi kohdata fysiikan painovoiman kahdella eri tavalla: koska kiihtyvyys johtuu painovoima Maan päällä tai muissa taivaankappaleissa tai vetovoimana minkä tahansa kahden objektin välillä maailmankaikkeus. Painovoima on todellakin yksi perustavanlaatuisimmista voimista luonnossa.

Sir Isaac Newton kehitti lakeja kuvaamaan molempia. Newtonin toinen laki (F_netto = ma) koskee mitä tahansa esineeseen vaikuttavaa nettovoimaa, mukaan lukien minkä tahansa suuren kappaleen, kuten planeetan, kielialueella koettu painovoima. Newtonin universaalin gravitaation laki, käänteinen neliölaki, selittää kahden objektin välisen vetovoiman tai vetovoiman.

Kohteen painovoima, jonka kohde kokee painovoimakentässä, on aina suunnattu kohti kenttää tuottavan massan keskipistettä, kuten maapallon keskustaa. Muiden voimien puuttuessa se voidaan kuvata Newtonin suhteen avullaF_netto = ma, missäF_nettoon painovoima newtoneina (N),mon massa kilogrammoina (kg) jaaon painovoimasta johtuva kiihtyvyys m / s².

Kaikki painovoimakentän sisällä olevat esineet, kuten kaikki Marsin kivet, kokevat samankiihtyvyys kohti kentän keskustaa​ ​vaikuttavat heidän massoihinsa.Siksi ainoa tekijä, joka muuttaa painovoimaa, jonka eri kohteet tuntevat samalla planeetalla, on niiden massa: Mitä enemmän massaa, sitä suurempi painovoima ja päinvastoin.

PainovoimaOnsen paino fysiikassa, vaikka puhekielen painoa käytetään usein eri tavalla.

Newtonin toinen laki,F_netto = ma, osoittaa, että anettovoimaaiheuttaa massan kiihtyvän. Jos nettovoima on painovoimasta, tätä kiihtyvyyttä kutsutaan painovoiman aiheuttamaksi kiihtyvyydeksi; kohteiden lähellä tiettyjen suurten kappaleiden, kuten planeettojen lähellä, tämä kiihtyvyys on suunnilleen vakio, mikä tarkoittaa, että kaikki kohteet putoavat samalla kiihtyvyydellä.

Lähellä maan pintaa tälle vakiolle annetaan oma erityinen muuttuja:g. "Pikku g", kutengkutsutaan usein, sen vakioarvo on aina 9,8 m / s². (Lauseke "pieni g" erottaa tämän vakion toisesta tärkeästä painovoiman vakiosta,Gtai "iso G", joka koskee gravitaation universaalia lakia.) Kaikki lähellä maapallon pintaa pudotetut esineet putoaa kohti maapallon keskustaa jatkuvasti kasvavalla nopeudella, joka sekunti menee 9,8 m / s nopeammin kuin toinen edellinen.

Maan päällä painovoima massakohteeseenmOn:

Astronautit pääsevät kaukaiselle planeetalle ja huomaavat, että esineiden nostaminen sinne vaatii kahdeksan kertaa enemmän voimaa kuin maan päällä. Mikä on painovoiman aiheuttama kiihtyvyys tällä planeetalla?

Tällä planeetalla painovoima on kahdeksan kertaa suurempi. Koska esineiden massat ovat näiden esineiden perusominaisuus, ne eivät voi muuttua, mikä tarkoittaa kohteen arvoagtäytyy olla myös kahdeksan kertaa suurempi:

Arvogmaapallolla on 9,8 m / s², joten 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Toinen Newtonin fyysisen painovoiman ymmärtämiseen sovellettavista laeista johtui Newtonin hämmentämisestä toisen fyysikon havaintojen kautta. Hän yritti selittää, miksi aurinkokunnan planeetoilla on elliptiset kiertoradat eikä pyöreät kiertoradat, kuten Johannes Kepler havaitsi ja matemaattisesti kuvasi samannimisten lakien joukossa.

Newton totesi, että planeettojen väliset gravitaatiovoimat, kun ne lähestyivät toisistaan, pelaavat planeettojen liikkeessä. Nämä planeetat olivat itse asiassa vapaassa pudotuksessa. Hän määritteli tämän vetovoiman omassaUniversaali painovoiman laki​:

MissäF_grav taas on painovoima Newtonissa (N),m₁jam₂ovat ensimmäisen ja toisen kohteen massat kilogrammoina (kg) (esimerkiksi maan massa ja lähellä maata olevan esineen massa), jad²on niiden välisen etäisyyden neliö metreinä (m).

MuuttujaG, jota kutsutaan "suureksi G: ksi", on yleinen painovoiman vakio. Seon sama arvo kaikkialla maailmankaikkeudessa. Newton ei löytänyt G: n arvoa (Henry Cavendish löysi sen kokeellisesti Newtonin kuoleman jälkeen), mutta hän löysi voiman suhteellisuuden massaan ja etäisyyteen ilman sitä.

Yhtälö osoittaa kaksi tärkeää yhteyttä:

1. Mitä massiivisempi kumpikin esine on, sitä suurempi vetovoima on. Jos kuu olisi yhtäkkiäkaksi kertaa massiivisempikuten nyt, maapallon ja kuun välinen vetovoima tekisikaksinkertainen​.
2. Mitä lähempänä esineitä on, sitä suurempi vetovoima on. Koska massat ovat suhteessa niiden väliseen etäisyyteenneliö, vetovoimanelinkertaistaajoka kerta kun esineet ovatkaksi kertaa niin lähellä. Jos kuu olisi yhtäkkiäpuolet etäisyydestämaapallolle sellaisena kuin se on nyt, maan ja kuun välinen vetovoima olisineljä kertaa suurempi.​

Newtonin teoria tunnetaan myös nimelläkäänteinen neliölainsäädäntöyllä olevan toisen kohdan takia. Se selittää, miksi kahden kohteen välinen gravitaatiovetovoima putoaa nopeasti, kun ne erottuvat, paljon nopeammin kuin jos kummankin tai molempien massa muuttuu.

Mikä on vetovoima 8000 kg: n komeetan välillä, joka on 70 000 m: n päässä 200 kg: n komeetasta?

Newton teki hämmästyttävää työtä ennustamalla esineiden liikkeen ja määrittelemällä painovoiman 1600-luvulla. Mutta noin 300 vuotta myöhemmin toinen suuri mieli - Albert Einstein - haastoi tämän ajattelun uudella tavalla ja tarkemmalla tavalla ymmärtämään painovoimaa.

Einsteinin mukaan painovoima on vääristymäavaruusaika, itse universumin kangas. Massa loimii tilaa, kuten keilapallo, muodostaa sisennyksen lakanalle, ja massiivisemmat esineet, kuten tähdet tai mustat aukot, loimivat tilaa, jonka vaikutukset ovat helposti havaittavissa kaukoputkessa - valon taipuminen tai esineiden muutos lähellä näitä massoja.

Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoria osoittautui tunnetusti selittämällä, miksi elohopea, pieni planeetta lähimpänä aurinkokuntamme aurinkoon, sillä on kiertorata, jolla on mitattava ero Newtonin lakien ennustamasta.

Vaikka yleinen suhteellisuusteoria on tarkempi painovoiman selittämisessä kuin Newtonin lait, ero kummassakin käytetyissä laskelmissa on havaittavissa suurimmaksi osaksi vain "relativistisilla" asteikoilla - katsomalla erittäin massiivisia esineitä kosmoksessa tai lähellä valoa nopeudet. Siksi Newtonin lait ovat edelleen hyödyllisiä ja merkityksellisiä nykyään kuvaamaan monia tosielämän tilanteita, joihin tavallinen ihminen todennäköisesti joutuu.

Newtonin yleisen gravitaatiolain "universaali" osa ei ole hyperbolinen. Tätä lakia sovelletaan kaikkeen maailmankaikkeudessa massaan! Mikä tahansa kaksi hiukkaa houkuttelee toisiaan, samoin kuin kaikki kaksi galaksia. Tietysti riittävän suurilla etäisyyksillä vetovoima muuttuu niin pieneksi, että se on tosiasiallisesti nolla.

Ottaen huomioon, kuinka tärkeä painovoima on kuvaamiseenmiten kaikki aine on vuorovaikutuksessa, kielen englanninkieliset määritelmätpainovoima(Oxfordin mukaan: "äärimmäinen tai hälyttävä merkitys; vakavuus ") taigravitas("arvokkuus, vakavuus tai tavan juhlallisuus") saa lisää merkitystä. Kun joku viittaa "tilanteen vakavuuteen", fyysikko saattaa silti tarvita selvennystä: Tarkoittavatko ne suurta G: tä vai vähän g: tä?