Gravitasi (Fisika): Apa Itu & Mengapa Itu Penting?

Seorang siswa fisika mungkin menghadapi gravitasi dalam fisika dalam dua cara yang berbeda: sebagai percepatan karena gravitasi di Bumi atau benda langit lainnya, atau sebagai gaya tarik menarik antara dua benda di objects alam semesta. Memang gravitasi adalah salah satu kekuatan paling mendasar di alam.

Sir Isaac Newton mengembangkan hukum untuk menggambarkan keduanya. Hukum Kedua Newton (F_bersih = ma) berlaku untuk setiap gaya total yang bekerja pada suatu objek, termasuk gaya gravitasi yang dialami di lokasi benda besar apa pun, seperti planet. Hukum Gravitasi Universal Newton, hukum kuadrat terbalik, menjelaskan tarikan atau tarikan gravitasi antara dua benda.

Gaya gravitasi yang dialami oleh suatu benda di dalam medan gravitasi selalu mengarah ke pusat massa yang menghasilkan medan tersebut, seperti pusat Bumi. Dengan tidak adanya kekuatan lain, itu dapat dijelaskan menggunakan hubungan NewtonF_bersih = ma, dimanaF_bersihadalah gaya gravitasi dalam Newton (N),sayaadalah massa dalam kilogram (kg) danSebuahadalah percepatan gravitasi dalam m/s².

Objek apa pun di dalam medan gravitasi, seperti semua batu di Mars, mengalami hal yang samapercepatan menuju pusat medan​ ​bertindak atas massa mereka.Jadi, satu-satunya faktor yang mengubah gaya gravitasi yang dirasakan oleh objek yang berbeda di planet yang sama adalah massanya: Semakin banyak massa, semakin besar gaya gravitasi dan sebaliknya.

Gaya gravitasiaku sberatnya dalam fisika, meskipun berat sehari-hari sering digunakan secara berbeda.

Hukum Kedua Newton,F_bersih = ma, menunjukkan bahwakekuatan bersihmenyebabkan massa menjadi lebih cepat. Jika gaya total berasal dari gravitasi, percepatan ini disebut percepatan karena gravitasi; untuk benda-benda di dekat benda-benda besar tertentu seperti planet, percepatan ini kira-kira konstan, artinya semua benda jatuh dengan percepatan yang sama.

Di dekat permukaan bumi, konstanta ini diberikan variabel khusus sendiri:g. "G kecil," sebagaigsering disebut, selalu memiliki nilai konstan 9,8 m/s². (Ungkapan "g kecil" membedakan konstanta ini dari konstanta gravitasi penting lainnya,G, atau "G besar", yang berlaku untuk Hukum Gravitasi Universal.) Setiap benda yang dijatuhkan di dekat permukaan bumi akan jatuh menuju pusat bumi dengan kecepatan yang terus meningkat, setiap detiknya 9,8 m/s lebih cepat dari detik sebelumnya.

Di Bumi, gaya gravitasi pada benda bermassasayaaku s:

Para astronot mencapai planet yang jauh dan mendapati bahwa dibutuhkan kekuatan delapan kali lebih besar untuk mengangkat benda-benda di sana daripada di Bumi. Berapakah percepatan gravitasi di planet ini?

Di planet ini gaya gravitasinya delapan kali lebih besar. Karena massa benda adalah properti fundamental dari benda-benda itu, mereka tidak dapat berubah, itu berarti nilaigharus delapan kali lebih besar juga:

Nilai darigdi bumi adalah 9,8 m/s², jadi 8 × 9,8 m/s² = 78,4 m/s².

Hukum Newton kedua yang berlaku untuk memahami gravitasi dalam fisika dihasilkan dari teka-teki Newton melalui temuan fisikawan lain. Dia mencoba menjelaskan mengapa planet-planet tata surya memiliki orbit elips daripada orbit melingkar, seperti yang diamati dan dijelaskan secara matematis oleh Johannes Kepler dalam kumpulan hukum eponimnya.

Newton menentukan bahwa gaya tarik gravitasi antara planet-planet saat mereka semakin dekat dan semakin jauh dari satu sama lain memainkan peran dalam gerakan planet-planet. Planet-planet ini sebenarnya jatuh bebas. Dia mengukur daya tarik ini dalam karyanyaHukum Gravitasi Universal​:

DimanaF_berat lagi adalah gaya gravitasi dalam Newton (N),saya₁dansaya₂adalah massa benda pertama dan kedua, masing-masing, dalam kilogram (kg) (misalnya, massa Bumi dan massa benda di dekat Bumi), dand²adalah kuadrat jarak antara keduanya dalam meter (m).

VariabelG, yang disebut "G besar", adalah konstanta gravitasi universal. Saya tmemiliki nilai yang sama di mana-mana di alam semesta. Newton tidak menemukan nilai G (Henry Cavendish menemukannya secara eksperimental setelah kematian Newton), tetapi ia menemukan proporsionalitas gaya dengan massa dan jarak tanpanya.

Persamaan menunjukkan dua hubungan penting:

1. Semakin besar salah satu objek, semakin besar daya tariknya. Jika bulan tiba-tibadua kali lebih besarseperti sekarang, gaya tarik menarik antara bumi dan bulan akan moondua kali lipat​.
2. Semakin dekat objek, semakin besar daya tariknya. Karena massa dihubungkan oleh jarak antara merekakuadrat, gaya tarik-menarikempat kali lipatsetiap kali benda-benda itudua kali lebih dekat. Jika bulan tiba-tibasetengah jarakke Bumi seperti sekarang, gaya tarik-menarik antara Bumi dan bulan akan menjadiempat kali lebih besar.​

Teori Newton disebut jugahukum kuadrat terbalikkarena poin kedua di atas. Ini menjelaskan mengapa gaya tarik gravitasi antara dua benda turun dengan cepat saat mereka terpisah, jauh lebih cepat daripada jika mengubah massa salah satu atau keduanya.

Berapakah gaya tarik menarik antara komet bermassa 8.000 kg yang berjarak 70.000 m dari komet bermassa 200 kg?

Newton melakukan pekerjaan luar biasa dalam memprediksi gerakan benda dan mengukur gaya gravitasi di tahun 1600-an. Tetapi kira-kira 300 tahun kemudian, pemikir hebat lainnya - Albert Einstein - menantang pemikiran ini dengan cara baru dan cara yang lebih akurat untuk memahami gravitasi.

Menurut Einstein, gravitasi adalah distorsi dariruang waktu, jalinan alam semesta itu sendiri. Ruang melengkung massal, seperti bola bowling menciptakan lekukan pada sprei, dan objek yang lebih masif seperti bintang atau lubang hitam melengkung ruang dengan efek yang mudah diamati di teleskop - pembelokan cahaya atau perubahan gerakan benda yang dekat dengan massa tersebut.

Teori relativitas umum Einstein terkenal membuktikan dirinya dengan menjelaskan mengapa Merkurius, planet kecil yang paling dekat ke matahari di tata surya kita, memiliki orbit dengan perbedaan yang terukur dari apa yang diprediksi oleh Hukum Newton.

Sementara relativitas umum lebih akurat dalam menjelaskan gravitasi daripada Hukum Newton, perbedaan dalam perhitungan menggunakan keduanya adalah terlihat sebagian besar hanya pada skala "relativistik" - melihat objek yang sangat masif di kosmos, atau cahaya dekat kecepatan. Oleh karena itu Hukum Newton tetap berguna dan relevan saat ini dalam menggambarkan banyak situasi dunia nyata yang mungkin dihadapi oleh rata-rata manusia.

Bagian "universal" dari Hukum Gravitasi Universal Newton bukanlah hiperbolik. Hukum ini berlaku untuk segala sesuatu di alam semesta dengan massa! Setiap dua partikel menarik satu sama lain, seperti halnya dua galaksi. Tentu saja, pada jarak yang cukup jauh, daya tarik menjadi sangat kecil sehingga secara efektif menjadi nol.

Mengingat betapa pentingnya gravitasi untuk menggambarkanbagaimana semua materi berinteraksi, definisi bahasa Inggris sehari-hari darigravitasi(menurut Oxford: "sangat penting atau mengkhawatirkan; keseriusan") ataugravitasi("martabat, keseriusan atau kesungguhan cara") memiliki arti tambahan. Yang mengatakan, ketika seseorang mengacu pada "gravitasi situasi" seorang fisikawan mungkin masih memerlukan klarifikasi: Apakah yang mereka maksud dalam istilah G besar atau g kecil?