Egy fizikus hallgató kétféle módon találkozhat a gravitációval a fizikában: mint a miatti gyorsulás gravitáció a Földön vagy más égitesteken, vagy mint a vonzerő a két objektum között a világegyetem. A gravitáció valóban a természet egyik legalapvetőbb ereje.
Sir Isaac Newton törvényeket dolgozott ki mindkettő leírására. Newton második törvénye (Fháló = ma) bármely tárgyra ható nettó erőre vonatkozik, ideértve bármely nagy test, például egy bolygó, területi beállításán tapasztalt gravitációs erőt is. Newton univerzális gravitációs törvénye, egy inverz négyzet törvény magyarázza a két objektum közötti gravitációs vonzót vagy vonzást.
Gravitációs erő
A gravitációs erő, amelyet egy tárgy a gravitációs mezőn belül tapasztal, mindig a mezőt létrehozó tömeg középpontja felé irányul, például a Föld közepe felé. Egyéb erő hiányában a newtoni viszony felhasználásával írható leFháló = ma, holFhálóa gravitációs erő Newtonban (N),mtömege kilogrammban (kg) ésaa gravitáció miatti gyorsulás m / s-ban2.
A gravitációs mező bármely tárgya, például a Mars összes sziklája, ugyanazt tapasztalja
gyorsulás a mező közepe felé tömegeikre hatva.Így az egyetlen tényező, amely megváltoztatja ugyanazon a bolygón a különböző tárgyak által érzett gravitációs erőt, a tömegük: Minél nagyobb a tömeg, annál nagyobb a gravitációs erő és fordítva.A gravitációs erővansúlya a fizikában, bár a köznyelv súlyát gyakran másként használják.
A gravitációs gyorsulás
Newton második törvénye,Fháló = ma, azt mutatja, hogy anet erőtömeg felgyorsulását okozza. Ha a nettó erő a gravitációból származik, akkor ezt a gyorsulást gravitáció miatt gyorsulásnak nevezzük; bizonyos nagy testek, például bolygók közelében lévő tárgyak esetében ez a gyorsulás megközelítőleg állandó, vagyis minden objektum azonos gyorsulással esik.
A Föld felszíne közelében ez az állandó megkapja a saját speciális változóját:g. "Kis g", mintggyakran hívják, állandó értéke mindig 9,8 m / s2. (A "kis g" kifejezés megkülönbözteti ezt az állandót egy másik fontos gravitációs állandótól,G, vagy "nagy G", amely a gravitáció egyetemes törvényére vonatkozik.) Bármely tárgy, amelyet a Föld felszíne közelében ejtettek le, folyamatosan növekszik a Föld közepe felé, minden másodperc 9,8 m / s-mal gyorsabban halad, mint az előző másodperc.
A Földön a gravitációs erő egy tömeges tárgyonmaz:
F_ {grav} = mg
Példa gravitációval
Az űrhajósok eljutnak egy távoli bolygóra, és úgy látják, hogy nyolcszor akkora erőre van szükség ahhoz, hogy az objektumokat ott felemeljék, mint a Földön. Mi a gravitáció miatti gyorsulás ezen a bolygón?
Ezen a bolygón a gravitációs erő nyolcszor nagyobb. Mivel a tárgyak tömege alapvető tulajdonsága ezeknek a tárgyaknak, nem változhatnak, ez azt jelenti, hogy a tárgy értékegnyolcszor nagyobbnak kell lennie:
8F_ {grav} = m (8 g)
Az értékega Földön 9,8 m / s2, tehát 8 × 9,8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Newton gravitációs egyetemes törvénye
Newton törvényeinek a második, amely a gravitáció megértésére vonatkozik a fizikában, abból adódott, hogy Newton egy másik fizikus megállapításain keresztül elgondolkodtatott. Megpróbálta elmagyarázni, hogy a Naprendszer bolygóinak miért ellipszis alakú keringése van, nem pedig körpályája, amint azt Johannes Kepler megfigyelte és matematikailag leírta névadó törvényeinek halmazában.
Newton megállapította, hogy a bolygók közötti gravitációs vonzerők, ahogy egyre közelebb kerülnek egymáshoz, a bolygók mozgásába játszanak. Ezek a bolygók valójában szabadesésben voltak. Ezt a vonzást számszerűsítette az övébenA gravitáció egyetemes törvénye:
F_ {grav} = G \ frac {m_1m_2} {r ^ 2}
HolFgrav megint a gravitációs erő Newtonban (N),m1ésm2az első és a második tárgy tömege kilogrammban (kg) (például a Föld tömege és a Föld közelében lévő tárgy tömege), ésd2a köztük lévő távolság négyzete méterben (m).
A változóG, az úgynevezett "nagy G", az univerzális gravitációs állandó. Aztaz univerzumban mindenütt azonos értékkel bír. Newton nem fedezte fel a G értékét (Henry Cavendish kísérleti úton találta meg Newton halála után), de az erő arányos voltát a tömeggel és a távolsággal anélkül.
Az egyenlet két fontos összefüggést mutat:
- Minél tömegesebb bármelyik tárgy, annál nagyobb a vonzerő. Ha a hold hirtelenkétszer olyan masszívmint most, a Föld és a Hold közötti vonzerő is megtennékettős.
- Minél közelebb vannak a tárgyak, annál nagyobb a vonzerő. Mivel a tömegeket a köztük lévő távolság kapcsolja összenégyzet, a vonzerőnégyszeresvalahányszor a tárgyak vannakkétszer olyan közel. Ha a hold hirtelena távolság felea Földhöz, mint most, a Föld és a Hold közötti vonzerő lennenégyszer nagyobb.
Newton elmélete néven is ismertinverz négyzet törvénya fenti második pont miatt. Ez megmagyarázza, hogy a két objektum közötti gravitációs vonzerő miért csökken gyorsan, amikor elválik, sokkal gyorsabban, mint ha egyikük vagy mindkettő tömegét megváltoztatnánk.
Példa Newton gravitációs egyetemes törvényével
Mekkora a vonzerő egy 8000 kg-os üstökös között, amely 70 000 m-re van a 200 kg-os üstököstől?
\ begin {aligned} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} \ frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} (\ dfrac {8000 kg × 200 kg} {70,000 ^ 2}) \\ & = 2,18 × 10 ^ {- 14} \ vége {igazítva}
Albert Einstein általános relativitáselmélete
Newton elképesztő munkát végzett az objektumok mozgásának előrejelzésével és a gravitációs erő számszerűsítésével az 1600-as években. De nagyjából 300 évvel később egy másik nagyszerű elme - Albert Einstein - új módon és pontosabb módon támadta meg ezt a gondolkodást a gravitáció megértésében.
Einstein szerint a gravitáció a torzításatéridő, maga a világegyetem szövete. A tömeg elvetemíti a teret, mint egy tekegömb behúzást hoz létre az ágyneműn, masszívabb tárgyak, például csillagok vagy fekete lyukak a teleszkópban könnyen megfigyelhető effektusokkal rendelkező tér - a fény hajlítása vagy az e tömegekhez közeli tárgyak mozgásának változása.
Einstein általános relativitáselmélete híresen bizonyította magát azzal, hogy elmagyarázta, miért a Merkúr, az apró bolygó a legközelebb Naprendszerünkben a nap felé kerülő pályája mérhető különbséggel rendelkezik a Newton-törvények által előre jelzettől.
Míg az általános relativitáselmélet pontosabb a gravitáció magyarázatában, mint Newton törvényei, a kettőt használó számítások közötti különbség igen többnyire csak "relativisztikus" skálán észrevehető - a kozmoszban található rendkívül masszív tárgyakat vagy egy közeli fényt nézve sebességek. Ezért Newton törvényei ma is hasznosak és relevánsak sok olyan valós helyzet leírása során, amelyekkel egy átlagos ember valószínűleg találkozni fog.
A gravitáció fontos
Newton gravitációs egyetemes törvényének "univerzális" része nem hiperbolikus. Ez a törvény az univerzum minden tömegére vonatkozik! Bármely két részecske vonzza egymást, akárcsak bármely két galaxis. Természetesen elég nagy távolságokon a vonzerő annyira kicsi lesz, hogy gyakorlatilag nulla lesz.
Tekintettel arra, hogy a gravitáció milyen fontos a leíráshozhogy minden anyag kölcsönhatásba lép, a köznyelvi angol definícióigravitáció(Oxford szerint: "rendkívüli vagy riasztó fontosság; komolyság ") vagygravitas("méltóság, komolyság vagy ünnepélyesség") további jelentőséget kap. Ez azt jelenti, hogy ha valaki a "helyzet súlyosságára" hivatkozik, akkor a fizikusnak még szüksége lehet tisztázásra: nagy G vagy kis g értelemben?
