Gravitacija (fizika): što je to i zašto je važno?

Student fizike mogao bi se susresti s gravitacijom u fizici na dva različita načina: kao ubrzanje uslijed gravitacija na Zemlji ili drugim nebeskim tijelima, ili kao sila privlačenja između bilo koja dva objekta u svemir. Doista je gravitacija jedna od najtemeljnijih sila u prirodi.

Sir Isaac Newton razvio je zakone koji opisuju oboje. Newtonov drugi zakon (F_neto = ma) odnosi se na bilo koju neto silu koja djeluje na objekt, uključujući silu gravitacije koja je iskusna u području bilo kojeg velikog tijela, poput planeta. Newtonov zakon univerzalne gravitacije, inverzni kvadratni zakon, objašnjava gravitacijsko privlačenje ili privlačenje između bilo koja dva objekta.

Gravitacijska sila koju doživljava objekt unutar gravitacijskog polja uvijek je usmjerena prema središtu mase koja stvara polje, poput središta Zemlje. U nedostatku bilo kakvih drugih sila, to se može opisati pomoću Newtonovog odnosaF_neto = ma, gdjeF_netoje sila gravitacije u Njutnima (N),mje masa u kilogramima (kg) iaje ubrzanje zbog gravitacije u m / s².

Svi objekti unutar gravitacijskog polja, poput svih stijena na Marsu, doživljavaju istoubrzanje prema središtu polja​ ​djelujući na njihove mase.Dakle, jedini faktor koji mijenja silu gravitacije koju osjećaju različiti objekti na istom planetu je njihova masa: Što je veća masa, to je veća sila gravitacije i obrnuto.

Sila gravitacijejenjegova težina u fizici, premda se kolokvijalna težina često koristi drugačije.

Newtonov drugi zakon,F_neto = ma, pokazuje da aneto silauzrokuje ubrzanje mase. Ako je neto sila od gravitacije, to se ubrzanje naziva ubrzanje zbog gravitacije; za objekte u blizini određenih velikih tijela poput planeta ovo ubrzanje je približno konstantno, što znači da svi objekti padaju s istim ubrzanjem.

U blizini Zemljine površine, ova konstanta dobiva svoju posebnu varijablu:g. "Mali g", kaogčesto se naziva, uvijek ima konstantnu vrijednost od 9,8 m / s². (Izraz "mali g" razlikuje ovu konstantu od druge važne gravitacijske konstante,G, ili "veliki G", koji se odnosi na Univerzalni zakon gravitacije.) Bilo koji objekt koji se spusti blizu površine Zemlje padati prema središtu Zemlje sve većom brzinom, svake sekunde idući 9,8 m / s brže nego sekunde prije.

Na Zemlji sila gravitacije na predmetu masemje:

Astronauti dođu do udaljenog planeta i utvrde da je za podizanje predmeta potrebno osam puta više sile nego na Zemlji. Koje je ubrzanje zbog gravitacije na ovom planetu?

Na ovom planetu sila gravitacije je osam puta veća. Budući da su mase predmeta temeljno svojstvo tih predmeta, one se ne mogu mijenjati, to znači vrijednostgmora biti i osam puta veća:

Vrijednostgna Zemlji je 9,8 m / s², dakle 8 × 9,8 m / s² = 78,4 m / s².

Drugi Newtonov zakon koji se odnosi na razumijevanje gravitacije u fizici proizašao je iz Newtonove zagonetke kroz nalaze drugog fizičara. Pokušavao je objasniti zašto planete Sunčevog sustava imaju eliptične, a ne kružne orbite, kako je to primijetio i matematički opisao Johannes Kepler u svom skupu istoimenih zakona.

Newton je utvrdio da gravitacijske privlačnosti između planeta kad se približavaju i udaljuju jedna od druge igraju u kretanju planeta. Ti su planeti u stvari bili u slobodnom padu. Kvantificirao je ovu privlačnost u svomUniverzalni zakon gravitacije​:

GdjeF_grav opet je sila gravitacije u Newtonima (N),m₁im₂jesu mase prvog, odnosno drugog predmeta, u kilogramima (kg) (na primjer, masa Zemlje i masa objekta u blizini Zemlje), id²je kvadrat udaljenosti između njih u metrima (m).

VarijablaG, koja se naziva "veliki G", univerzalna je gravitacijska konstanta. Toima istu vrijednost svugdje u svemiru. Newton nije otkrio vrijednost G (Henry Cavendish ga je eksperimentalno pronašao nakon Newtonove smrti), ali je pronašao proporcionalnost sile masi i udaljenosti bez njega.

Jednadžba pokazuje dva važna odnosa:

1. Što su objekti masivniji, privlačnost je veća. Ako je mjesec iznenada biodvostruko masivnijikakva je sada, sila privlačenja između Zemlje i Mjeseca bidvostruko​.
2. Što su predmeti bliži, atrakcija je veća. Budući da su mase povezane razmakom između njihna kvadrat, sila privlačenjačetverostrukesvaki put kad su predmetidvostruko bliže. Ako je mjesec iznenada biopola udaljenostina Zemlju kakva je sada, sila privlačenja između Zemlje i Mjeseca bila bičetiri puta veća.​

Newtonova teorija poznata je i kaoinverzni kvadratni zakonzbog druge točke gore. Objašnjava zašto gravitacijsko privlačenje između dvaju predmeta brzo opada kad se razdvoje, mnogo brže nego ako mijenja masu jednog ili oba.

Kolika je sila privlačenja između komete od 8000 kg koja je udaljena 70.000 m od komete od 200 kg?

Newton je nevjerojatan posao predvidio kretanje predmeta i kvantificirao silu gravitacije u 1600-ima. Ali otprilike 300 godina kasnije, drugi veliki um - Albert Einstein - izazvao je ovo razmišljanje novim načinom i točnijim razumijevanjem gravitacije.

Prema Einsteinu, gravitacija je iskrivljenjeprostor-vrijeme, tkivo samog svemira. Masa iskrivljuje prostor, poput lopte za kuglanje, stvara uvlaku na posteljini, a masivniji predmeti poput zvijezda ili crnih rupa izvijaju prostor s efektima lako uočljivim u teleskopu - savijanje svjetlosti ili promjena kretanja objekata blizu tih masa.

Einsteinova teorija opće relativnosti slavno se dokazala objašnjavajući zašto je Merkur, najsitniji planet najbliži prema suncu u našem Sunčevom sustavu, ima orbitu s mjerljivom razlikom od onoga što predviđaju Newtonovi zakoni.

Iako je opća relativnost točnija u objašnjavanju gravitacije od Newtonovih zakona, razlika u izračunima pomoću bilo koje je uočljiv većinom samo na "relativističkim" ljestvicama - gledanje izuzetno masivnih objekata u kozmosu ili bliske svjetlosti brzinama. Stoga su Newtonovi zakoni i danas korisni i relevantni u opisivanju mnogih situacija u stvarnom svijetu s kojima će se prosječni čovjek vjerojatno susresti.

"Univerzalni" dio Newtonovog Univerzalnog zakona gravitacije nije hiperboličan. Ovaj se zakon odnosi na sve u svemiru s masom! Bilo koje dvije čestice privlače jedna drugu, kao i bilo koje dvije galaksije. Naravno, na dovoljno velikim udaljenostima privlačnost postaje toliko mala da je zapravo nula.

S obzirom na to koliko je gravitacija važna za opisivanjekako sva materija uzajamno djeluje, kolokvijalne engleske definicijegravitacija(prema Oxfordu: "ekstremna ili alarmantna važnost; ozbiljnost ") iligravitacije("dostojanstvo, ozbiljnost ili svečanost") poprimaju dodatno značenje. Kad netko govori o "težini situacije", fizičaru će možda trebati pojašnjenje: podrazumijevaju li veliki G ili mali G?